在便攜式應用中使用D類音頻放大器

1、 電子發(fā)燒友 電子技術論壇 在便攜式應用中使用 D 類音頻放大器 作者：Nicholas Holland、Greg Hupp 及 Andy Liang，德州儀器公司 摘要 高效率 D 類音頻放大器正越來越多地被用在移動電話、智能電話、PDA 及其他類似便攜式應用中， 以取代 AB 類放大器。采用 D 類放大器可延長電池供電終端產(chǎn)品的工作時間，并產(chǎn)生更少的熱量，從 而解決設備的熱設計問題。測試結(jié)果顯示出 D 類放大器在延長電池工作時間及減少散熱量上的優(yōu) 勢。通過比較 AB 類和 D 類放大器架構(gòu)，我們可看出，必須更多地關注 D 類放大器的板級設計。本 文將著重討論如何進行正確的板布局與元件選擇，

2、因為這對于采用 D 類放大器的設計來說非常關 鍵。D 類放大器參數(shù)測量不同于傳統(tǒng) AB 類放大器，因此本文還將討論 D 類放大器的測量技術。 1 在便攜式應用中使用 D 類音頻放大器 作者：Nicholas Holland、Greg Hupp 及 Andy Liang，德州儀器公司 1 of 1 電子發(fā)燒友 電子技術論壇 引言 在手機、DVD 播放機、筆記本電腦及游戲機等便攜式設備中集成音頻，已經(jīng)發(fā)展到這樣一個程度， 即設計人員正面臨著如下考驗：一方面需要將 MP3 及流視頻等越來越多的特性集成到上述終端設備 中，另一方面又必須保持或（甚至）減少整體功率預算。 這導致采用很多新的產(chǎn)品技術，例如

3、采用 D 類音頻功率放大器 (APA 。這些放大器可使設計人員節(jié) 省電池電量，因為 D 類放大器比傳統(tǒng) AB 類（或線性）放大器具有更高的效率。為充分利用 D 類放 大器的優(yōu)勢，必須了解 D 類放大器與 AB 類放大器工作原理的基本差異，因為在設計帶有音頻的系統(tǒng) 時，每一種放大器技術都要求有不同的設計考慮。本文即介紹這兩種放大器在工作原理上的差異。 我們將按 D 類放大器的工作原理來討論這些設計考慮。板布局及外部器件選擇與安放都是在使用 D 類放大器時所必須考慮的重要方面。此外，本章還將討論采用良好的板布局及器件選擇能帶來哪些 EMI 改善。 最后，我們將詳細討論如何測量 D 類放大器一些基本

4、參數(shù)，例如輸出功率及 THD+N 等。 D 類放大器與 AB 類放大器效率比較 D 類放大器具有遠高于 AB 類放大器的效率。放大器的效率越高，由電池發(fā)熱而浪費的功率就越少。 圖 1 顯示和傳統(tǒng)線性放大器的理論功耗相比，最新 D 類立體聲音頻功率放大器 TPA2012D2 的功耗與 輸出功率關系曲線。圖中顯示這兩種放大器技術的功耗如何隨輸出功率改變。D 類放大器更高的效率 可給音頻設計人員提供兩大好處：首先，對于便攜式及電池供電應用來說，采用 D 類放大器可延長 電池使用時間，因為由放大器發(fā)熱而浪費的功率更少。此外，由于放大器散熱更少，因此與 AB 類放 大器相比，采用 D 類放大器的應用其熱

5、設計將變得更加簡單。 圖 1：與 AB 類放大器的理論功耗相比，TPA2012D2 型 D 類放大器的功耗與輸出功率關系曲線 2 在便攜式應用中使用 D 類音頻放大器 作者：Nicholas Holland、Greg Hupp 及 Andy Liang，德州儀器公司 2 of 2 電子發(fā)燒友 電子技術論壇 功耗直接轉(zhuǎn)換為電池使用時間。測量功耗的一種方法是在使用兩種放大器的情況下測量電池的放電時 間。圖 2 顯示 D 類放大器與 AB 類放大器分別和兩組不同的三節(jié) 1.2V 鎳氫 (NiMH 電池相連時的電 池放電時間曲線，其中將人朗讀的聲音作為放大器的音頻輸入源。 圖 2：在使用 D 類和 A

6、B 類音頻功放情況下的電池放電時間曲線 圖字：AB 類和 D 類放大器應用的電池使用時間，電池電壓，時間（小時） 從圖中可看出，低效率的 AB 類放大器（藍線）比高效率的 D 類放大器（紅線）更快地消耗完電池的 電量。對于相同的輸出功率，AB 類放大器要比 D 類放大器消耗更多的功率，從而使電池的使用時間 更短。 AB 類放大器的效率 那么，為何 AB 類放大器比 D 類放大器效率要低很多呢？ AB 類（線性）放大器為所需輸出電壓提供一個固定量的源電流。源電流等于 AB 類放大器在橋接負 載 (BTL 情況下的輸出電流加靜態(tài)電流。圖 3 顯示一個簡化 H 橋 AB 類放大器輸出級電流示意圖。

7、3 在便攜式應用中使用 D 類音頻放大器 作者：Nicholas Holland、Greg Hupp 及 Andy Liang，德州儀器公司 3 of 3 電子發(fā)燒友 電子技術論壇 圖 3：AB 類放大器簡化 H 橋 圖中將輸出 MOSFET 表示為阻值隨放大器輸出電壓變化的可變電阻。這些 MOSFET 的漏源電阻 會隨輸出電壓的變化而改變。從源流過負載的電流會在所有 MOSFET 上產(chǎn)生壓降。這些電流乘以 MOSFET 上的壓降，便會在放大器中造成很大的功耗。這些 MOSFET 中的功耗就是 AB 類放大器效 率低于 D 類放大器效率的主要原因。 D 類放大器的效率 那么，為何 D 類放大器

8、的功耗更少？ 和AB類音頻放大器相反，D類音頻放大器在一個給定時間內(nèi)向負載提供一個固定量的功率。D類放大 器產(chǎn)生一個可使輸出電壓在電源軌之間切換的脈寬調(diào)制 (PWM 信號，從而能在向負載提供驅(qū)動電流 時僅在輸出晶體管上產(chǎn)生很少的壓降。D類放大器H橋中的理想輸出晶體管，可擁有等于零的RDS(ON （ “開 (on”態(tài)漏源電阻，即導通電阻）及無窮大的RDS(OFF（“關 (off”態(tài)漏源電阻，即關斷 電阻）。在這種情況下，D類放大器輸出級將從電源上向負載提供一個等量的功率（不包括由偏置電 流及柵極驅(qū)動所引起的損耗）。由于所有MOSFET都具有一定的RDS(ON 以及RDS(OFF不可能為無窮 大，

9、因此總會有一些功率損耗。圖 4 將MOSFET表示為簡化的“開”或“關”態(tài)開關。 B B B B B B B B 圖 4：D 類放大器簡化 H 橋 4 在便攜式應用中使用 D 類音頻放大器 作者：Nicholas Holland、Greg Hupp 及 Andy Liang，德州儀器公司 4 of 4 電子發(fā)燒友 電子技術論壇 如圖 4 所示，電流從電源通過第一個狀態(tài)為“開”的MOSFET、再流過負載、最后流過后一個狀態(tài) 為“開”的MOSFET。由于兩個MOSFET均完全飽和為“開”態(tài)，因此其上只有很小的壓降。分壓 電路由RDS(on、RDS(off 及輸出負載或揚聲器RL組成，MOSFET的

10、RDS(on 極小，因此它上面幾乎沒有 什么壓降；相反，“關” 態(tài)MOSFET的RDS(off 值卻很大，因此可忽略通過它們的電流。由此可見， D類放大器具有很高的效率，因為和AB類放大器相比，只有極少量的功率被輸出MOSFET消耗掉。 B B B B B B B B B B 盡管音頻放大器選擇對于您的電路設計非常關鍵，但印制電路板 (PCB 布局也能決定您的設計是否 能成功地滿足指標要求。一些主要的 PCB 考慮因素為電源與接地布線、輸入輸出走線、元件選擇與 安放等。 采用 D 類放大器時的 PCB 布局 一項關鍵布局考慮因素為輸入輸出走線。這些走線的布局非常關鍵，因為輸入可從輸出上拾取噪聲

11、， 且輸出亦可將噪聲輻射給其他電路。輸入走線非常重要，因為耦合至輸入上的任何噪聲都會被放大器 增益放大，進而引起音頻失真或出現(xiàn)不希望的噪聲。全差分輸入音頻放大器具有可抑制輸入信號上共 模噪聲的優(yōu)勢。因此，即使輸入信號為單端，適當?shù)妮斎胱呔€也能提高電路（甚至在強噪聲環(huán)境下 的）抗噪聲能力。 圖 5：不同輸入實現(xiàn) 圖字：全差分 DAC 與放大器，單端 DAC 與全差分放大器，單端 DAC 與放大器 在全差分結(jié)構(gòu)中，輸入走線并行并互相靠緊，以確保耦合至放大器一個輸入端上的任何噪聲都能以同 樣的幅度耦合至另一輸入端。 DAC 5 在便攜式應用中使用 D 類音頻放大器 作者：Nicholas Holla

12、nd、Greg Hupp 及 Andy Liang，德州儀器公司 5 of 5 電子發(fā)燒友 電子技術論壇 有很多設計只允許采用單端音頻信號，且一些用戶認為全差分輸入對其設計并沒有多少好處。但情況 并非如此，因為單端信號走線可與其他輸入的交流地線平行。交流接地端走線應平行于音頻信號及交 流地，并盡可能靠近音頻信號源。這使任何噪聲均能同時耦合至音頻信號與地線上，從而獲得最大的 共模噪聲抑制。 放大器輸出走線是另一個需要仔細考慮的因素。對于 D 類放大器，其輸出信號為開關信號，如果不 事先采取適當?shù)拇胧?，便會造成電磁干擾 (EMI。一些電路有時會遇到這樣的問題，即：輸出走線經(jīng) 過或靠近音頻輸入信號或

13、其他敏感信號與電路。這會使輸出向這些電路輻射或?qū)⒃肼曬詈现疗湫盘?上。因此在布置輸出走線時必須非常小心。這方面的一個常見例子便是翻蓋手機的輸出走線。 翻蓋手機的下部與上部相連，并通過柔性電纜將數(shù)據(jù)及信號傳輸至上部。電纜中包括電源、地以及用 于 LCD 顯示的數(shù)據(jù)信號。一些手機的上部還裝有免提揚聲器，這意味著音頻信號也需要通過這根電 纜。如果走線時將開關信號（D 類音頻放大器）緊靠 LCD 顯示屏的數(shù)據(jù)信號，則有可能破壞 LCD 數(shù) 據(jù)。因此，必須將這兩種信號分開以免信號互相耦合；同時還必須用諸如鐵氧體磁環(huán)等器件來消除開 關信號的高頻諧波對 LCD 顯示屏的干擾。 必須將鐵氧體磁環(huán)濾波器放置在適

14、當?shù)奈恢蒙希允蛊湫首畲?。首先應盡可能將鐵氧體磁環(huán)緊靠 IC 的輸出引腳放置，然后再用電容來將其接地，并確保電容接地遠離敏感模擬電路接地。如果不這 樣做，則從開關信號上濾掉的高頻信號會耦合至信號地上，并可能對敏感模擬電路造成影響。對于 D 類放大器，還應使其輸出走線長度最短，以免造成輻射而使產(chǎn)品不符合 FCC 及 CE 對 EMI 的要求。 適當布線、采用鐵氧體磁環(huán)濾波器以及減少走線長度等，都是一些可改進您設計的正確措施。 圖 6：典型鐵氧體磁環(huán)濾波器 除輸入輸出走線外，電源與接地布線也是一個重要因素，因其必須為所有電路提供足夠的電源與接 地。在布置電源及地線時，應考慮何處會形成回路。應進行

15、適當布線以便能預測電流走向。對于接地 布線，這意味著應采用星形接地。應將信號地與電源地及模擬地隔開。采用這些接地隔開措施可進行 去耦及適當?shù)男盘柦拥亍＠?，圖 7 顯示對和 PGND 線而不是 AGND 線相連的 PVDD/PVCC 進行去 耦。電源信號走線可類似于接地走線，如果需要的話，可將電源與模擬電源走線分開。鐵氧體磁環(huán)濾 波器的接地應能能返回至星形接地，以免高頻開關噪聲對和接地面相連的任何信號造成影響。 6 在便攜式應用中使用 D 類音頻放大器 作者：Nicholas Holland、Greg Hupp 及 Andy Liang，德州儀器公司 6 of 6 電子發(fā)燒友 電子技術論壇 圖

16、 7： TPA2012D2 EVM 的電源與接地星形信號拓撲 在進行電路設計與布局時，外部元件選擇與放置也是一個應予以考慮的重要因素。這些元件都是音頻 放大器正常工作所需的額外元件（如電阻、電容及鐵氧體磁環(huán)等）。對于那些增益由輸入電阻設置的 音頻放大器，應確保輸入電阻盡可能緊靠輸入引腳安放。這是因為輸入引腳為匯總節(jié)點，且與電路其 他地方相比，噪聲更容易耦合至此節(jié)點中。因此，減少與輸入引腳連接的走線長度可減少耦合噪聲的 機會。此外，輸入電阻必須盡可能匹配，因為任何失配都會稍微改變放大器兩端之間的增益，而這又 會降低音頻放大器的電源抑制比 (PSRR，使得電源上的噪聲能在揚聲器上聽到。但匹配或小容

17、差電 阻的昂貴價格也會妨礙了它的使用，因此必須進行折衷，且通常 5% 容差的電阻也能提供可接受的性 能水平。 電源上的耦合電容應可能靠近 IC 放置。這些“本地”去耦電容可幫助使電源穩(wěn)定，并能使尺寸較大 的去耦電容放置在離芯片稍遠的地方。另一個電容設計決定是選擇輸入隔直電容的值。輸入隔直電容 和放大器輸入電阻一起形成一個高通濾波器。如果選用錯誤的電容值，則在到達放大器以前，一些音 頻信號即被衰減掉?？捎孟率絹碛嬎泐l率： fc = 1 2 RIN C IN 其中：RIN = 放大器輸入阻抗 CIN = 輸入端隔直電容 B B B B 鐵氧體磁環(huán)應按前面介紹的方法靠近放大器的輸出引腳放置。挑選適當

18、尺寸的鐵氧體磁環(huán)對于提供適 當?shù)墓δ芊浅ｊP鍵。電流額度必須恰好適合磁環(huán)，以免其飽和。如果電流額度太低以及磁環(huán)飽和，則 就像發(fā)生了交流短路。如果出現(xiàn)這種情況，則鐵氧體磁環(huán)濾波器將充當一個至開關輸出的電容，此時 電路就像在一個由該電容決定的頻率以上短路。如果該短路使通過電容的能量過高，則放大器會觸發(fā) 短路保護并關斷。當將電容直接放置在放大器輸出引腳上時，也會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。電容有時也用于 靜電放電 (ESD 保護，但必須小心，因為這種放置在輸出引腳上的電容有可能會使放大器不工作。 7 在便攜式應用中使用 D 類音頻放大器 作者：Nicholas Holland、Greg Hupp 及 Andy L

19、iang，德州儀器公司 7 of 7 電子發(fā)燒友 電子技術論壇 測量 D 類放大器性能 測量線性放大器輸出功率通常比較直接。由于 D 類放大器采用開關工作模式，因此不能用同樣方法 來測量其輸出功率。對于 D 類放大器，由于測量設備的局限，必須對其輸出進行低通濾波才能進行 精確的輸出功率測量。在用 Audio Precision (AP 音頻分析儀測量總諧波失真+ 噪聲 (THD+N 時也 是如此。 德州儀器公司的 D 類音頻功放系列（TPA2000D 及 TPA3000D）采用一種不需要使用輸出濾波器的 調(diào)制方案。但它們還是需要用低通濾波器來進行輸出功率或 THD+N 測量，以及減少 EMI。

20、 250 kHz 的開關信號被當成為音頻測量儀輸入范圍內(nèi)的一個共模電壓。一般地講，音頻分析設備在 250 kHz 頻率上具有極低的共模抑制，因為它被設計成在整個音頻波段內(nèi)工作。 即使大多數(shù)音頻分析儀都帶有內(nèi)部濾波，但其輸入放大器仍不能對 PWM 信號的快速上升沿作出反 應。為了不影響放大器的音頻性能，可用一個 RC 濾波器來濾除 D 類放大器 PWM 輸出中的 250 kHz 開關成分。 采用音頻放大器的便攜式設備通常都使用帶有 3-32 電阻的揚聲器。重要的是需了解峰值輸出電壓 VO(P、峰峰值輸出電壓VO(PP 以及均方根 (RMS 輸出電壓VO(RMS 之間的關系。在計算功率時，可 將輸

21、出電壓 (VO 規(guī)定為均方根值，并采用以下公式： B B B B B B B B Output Power (PO = VO(RMS 2 Load Impedance (RL 其中： VO(RMS = VO(PP VO(P 或 V （其中VO(P 為峰值電壓，VO(PP 為峰峰值輸出電壓） = O(RMS 2 2 2 B B B B 典型的 THD+N 測量將噪聲幅度、失真以及其他不希望的信號合并到一個測量中，并將其與基本測試 頻率幅度進行比較（通常采用百分比）。從理論上講，在音頻功放的輸出上應只出現(xiàn)正弦波輸入的基 本測試頻率。THD+N 測量要求提取基本測試頻率并測量整個音頻波段內(nèi)的均方根電

22、壓（包括不希望 的諧波與噪聲，AP 能自動完成此項操作），然后再將測量值除以基本測試頻率值，并以百分比來表 示。 低通 RC 濾波器 圖 8 所示的 RC 濾波器的截止頻率被選擇為大約 30 kHz，因為這正好位于音頻頻段以外，且能對更 高的頻率提供 20 dB/10 倍頻程的衰減。 一階 RC 濾波器的截止頻率為： fo = 1 2RC B B 通過簡單的元件選擇，亦即取R為 100 以及C為 0.047 F，即可得fo為 33.86 kHz以及圖 8 所示的相 應電路。 8 在便攜式應用中使用 D 類音頻放大器 作者：Nicholas Holland、Greg Hupp 及 Andy Li

23、ang，德州儀器公司 8 of 8 電子發(fā)燒友 電子技術論壇 圖 8：用于一個通道的 RC 低通濾波器 注： 信號發(fā)生器、D 類放大器、濾波器盒以及示波器或 AP 全都應與一個地相連以消除任何共模電壓，這 一點非常重要。此外，還需采用一個電源地。 為簡化 D 類放大器的輸出功率及 THD+N 測量，德州儀器公司研制了一種基本上包含圖 8 所示低通濾 波器的雙通道簡單 RC 濾波器盒。 圖 9 為該濾波器盒的頂視及內(nèi)視圖。 圖 9：德州儀器公司的 RC 濾波器盒頂視與內(nèi)視圖 “屏蔽”接頭用于將整個濾波器盒接地。需要采用一個到靜止地的連接（電源），且不與放大器及測 量儀器使用同一個地。 此濾波器盒

24、可用于使用示波器的輸出功率測量以及使用 AP 的 THD+N 測量。濾波器盒被設計成易于 在起始評估、原型開發(fā)或最終測試階段與各種測量設備連接。采用圖 8 所示的簡單 RC 濾波器，不用 濾波器盒也可完成這些測量。我們下面介紹如何用該濾波器盒來進行輸出功率及 THD+N 測量。 輸出功率測量 將濾波器盒連接在負載和示波器之間 9 在便攜式應用中使用 D 類音頻放大器 作者：Nicholas Holland、Greg Hupp 及 Andy Liang，德州儀器公司 9 of 9 電子發(fā)燒友 電子技術論壇 圖 10：用于輸出功率測量的立體聲音頻 D 類放大器與 RC 濾波器盒 當正確設置用于單聲

25、道或立體聲測量的測試電路后，即可用峰值電壓（即示波器讀數(shù)）及已知負載阻 抗來計算每個通道的輸出功率。請注意，這里計算的是放大器的平均輸出功率。 注：此電路假設示波器采用差分探頭。另一種選擇是采用單端探頭，并用數(shù)學函數(shù)來計算兩個信號之 間的差。用 RMS 電壓表也可進行同樣的輸出電壓測量。 舉例： 一個通道的輸出功率計算如下： 如果示波器上的峰值輸出電壓為 2 V且負載RL 為 8 ，則RMS電壓為： B B VO(RMS= VO(P 2 = 1.41V, VO(RMS 2 = 250mW Output Power (PO = Load Impedance (RL THD+N 測量 測試設置類似于輸出功率測試，但將一臺 AP 與放大器輸入及濾波器輸出相連，如圖 11 所示。 10 在便攜式應用中使用 D 類音頻放大器 作者：Nicholas Holland、Greg Hupp 及 Andy Liang，德州儀器公司 10 of 10 電子發(fā)燒友 電子技術論壇 圖 11：用于 T