數(shù)字音頻功率放大芯片型號與特點介紹

關于數(shù)字音頻功率放大芯片型號與特點介紹聲音基礎知識聲音是由振動產(chǎn)生的。物體振動停止，發(fā)聲也停止。外界傳來的聲音引起鼓膜振動經(jīng)聽小骨及其他組織傳給聽覺神經(jīng)，聽覺神經(jīng)再把信號傳給大腦，這樣人就聽到了聲音。人耳能感受到（聽覺）的頻率范圍約為20Hz~20kHz，稱此頻率范圍內(nèi)的聲音為可聽聲(audiblesound)或音頻(audio)人們?nèi)粘Ｉ盥牭降母鞣N聲音信息是典型的連續(xù)信號，它不僅在時間上連續(xù)，而且在幅度上也連續(xù)，我們稱之為模擬音頻。在數(shù)字音頻技術產(chǎn)生之前，我們只能用磁帶或膠木唱片來存儲模擬音頻，隨著技術的發(fā)展，聲音信號逐漸過渡到了數(shù)字化存儲階段，可以用計算機等設備將它們存儲起來。對于計算機來說，處理和存儲的只可以是二進制數(shù)，所以在使用計算機處理和存儲聲音信號之前，我們必須使用模數(shù)轉換（A/D）技術將模擬音頻轉化為二進制數(shù)，這樣模擬音頻就轉化為數(shù)字音頻了。第2頁,共50頁，2024年2月25日，星期天功率放大器簡介功率放大器（英文名稱：poweramplifier），簡稱“功放”，俗稱“擴音機”，是音響系統(tǒng)中最基本的設備，它的任務是把來自信號源的微弱電信號進行放大以驅動揚聲器發(fā)出聲音。工作原理利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將電源的功率轉換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的β倍，β是三極管的交流放大倍數(shù)，應用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的β倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流（或電壓）是原先的β倍的大信號，這現(xiàn)象成為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流放大，就完成了功率放大。第3頁,共50頁，2024年2月25日，星期天功率放大器的分類功率放大器通常按照其功率開關管的工作方式分為線性功率放大和非線性功率放大兩類。線性功率放大器即為傳統(tǒng)的模擬放大器，常分為A類、B類、AB類三種，其主要特點是保真度高，但是效率很低。非線形放大器又稱為D類放大器(開關放大器)，其功率開關管工作于開關狀態(tài)，具有很高的效率。下面將對這兩類功率放大器分別進行介紹第4頁,共50頁，2024年2月25日，星期天A類放大器在一個完整的信號周期中，A類放大器的功率晶體管一直處于線性放大狀態(tài)，即導通角θ=180°(在一個信號周期內(nèi)，導通角度的一半定義為導通角)。A類放大器的偏置電流IQ大于輸入電流,Q點(靜態(tài)偏置點)處于負載線的中心，所有輸出器件在輸入信號的整個周期內(nèi)均有電流流過，使其處于良好的線性工作狀態(tài)。這種放大電路，由于不會產(chǎn)生開關失真和交越失真，只要偏置和動態(tài)范圍控制得當，僅從失真的角度來看，它是一種優(yōu)質的線性放大電路，其聲音表現(xiàn)相當不錯。由于較小的非線性失真，使得A類功率放大器一般都用在較高檔次的音響系統(tǒng)中。A類放大器的原理圖如圖所示。第5頁,共50頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共50頁，2024年2月25日，星期天從上圖中可以看出，工作在A類放大狀態(tài)的功率放大器，電源始終不斷地輸送功率，在沒有信號輸入時，這些功率全部消耗在電路器件上，并將其轉換為熱量的形式耗散出去；當有信號輸入時，其中一部分轉換為有用的輸出功率，信號越大，輸送給負載的功率越多。A類放大器具有最大工作效率為25％。實際效率大約為15-20％；由于A類放大器效率較低，在實際應用中，尤其是當功率放大的輸出管的發(fā)熱量很大時，為確保安全和可靠，對它的穩(wěn)定性和電路的具體設計等提出了更高的要求，一般不采用A類放大器。第7頁,共50頁，2024年2月25日，星期天B類放大器B類放大器是一種互補式輸出結構，兩個晶體管不能同時工作，每個晶體管工作半個周期，導通角θ=90°，其電路結構如圖所示。第8頁,共50頁，2024年2月25日，星期天B類音頻放大器的理論最大效率是78．5％，B類放大器的最大工作效率大于A類放大器。B類功率放大器的靜態(tài)工作電流選在接近零點處，當有激勵信號輸入時，其輸出功率管僅有一臂導通而另一臂截止，如此往返地工作，使得輸出與輸入有著相近的信號波形?？梢姡cA類功率放大器相比，B類在無信號輸入時發(fā)熱量是很小的，此時散熱器是不會發(fā)熱或僅有一點溫升，同時功率轉換效率也比較高，最高能達到78．5％。B類放大器最大的缺點是存在較大的交越失真，這是由于當一個晶體管截止而另一個晶體管導通時需要過渡時間的緣故。第9頁,共50頁，2024年2月25日，星期天AB類放大器AB類放大器的工作模式介于A類與B類之間，其偏置電流遠小于峰值電流。晶體管工作時間大于半個周期但小于一個周期，即導通角90°<0<180°。大部分時間只有一個晶體管工作，在零交越點時，兩個晶體管都工作。AB類放大器的最大優(yōu)點是改善了B類放大器的非線性，消除了交越失真。其電路結構如圖所示。第10頁,共50頁，2024年2月25日，星期天如圖所示，AB類放大器通過兩個偏置電壓來避免交越失真。由于這一優(yōu)點，AB類放大器在傳統(tǒng)的音頻放大器中得到了廣泛應用。當輸入信號為零時，由于此時兩個晶體管仍然處于導通狀態(tài)，因此每一個晶體管的功率損耗均大于B類放大器，即AB類放大器的最大工作效率小于B類放大器，但大于A類放大器。AB類音頻放大器的理論效率75％，實際效率在50%-70％之間。第11頁,共50頁，2024年2月25日，星期天數(shù)字(D類)功率放大器傳統(tǒng)數(shù)字(D類)功率放大器數(shù)字功放也稱為D類放大器(ClassDamplifier)是一種脈沖調(diào)制型放大器，它與傳統(tǒng)模擬功放的主要差別在于功放管的工作狀態(tài)。D類放大器的功放管使用快速開關器件，如PowerMosfet。它工作在開關狀態(tài)，導通時理論內(nèi)阻為零，兩端沒有電壓，也就沒有功率消耗；而截止時，內(nèi)阻為無窮大，電流為零，也不消耗功率。所以電源的利用率非常高，理論為100％，實際產(chǎn)品也能達到90％以上。如此高的耗電利用率一方面可大幅減少散熱器體積，另一方面可以延長如MP3播放器等便攜式設備的電池一次充電使用時間，所以可以用體積更小、更輕便的電池提供能量。D類放大器已開始取代傳統(tǒng)的模擬高保真放大器，在移動及便攜設備中尤其如此。第12頁,共50頁，2024年2月25日，星期天傳統(tǒng)基本的D類放大器的結構如圖所示。第13頁,共50頁，2024年2月25日，星期天模擬輸入信號通過一個比較器與三角波(或者鋸齒波)進行比較，比較器的輸出就是PWM信號。它被用來控制高速功率開關，使得PWM信號在更高電平上重建，并能為負載(揚聲器)提供更大電流。該PWM信號在經(jīng)過一個無源模擬低通濾波器以后，會濾除高頻載波成分，在揚聲器上重現(xiàn)原來的模擬輸入信號。第14頁,共50頁，2024年2月25日，星期天隨著數(shù)字技術的發(fā)展，音頻功率放大器領域中越來越多的是針對數(shù)字音源進行放大，如CD、DVD(常采用PCM編碼)等。因此，D類放大器所面臨的挑戰(zhàn)就是直接將數(shù)字信號轉換為PWM信號。若仍采用傳統(tǒng)的D類放大器結構，必須引入高精度的數(shù)模轉換(D／A轉換)器，先將數(shù)字音源轉換成模擬音頻信號，然后才能對其進行放大，其實現(xiàn)結構如圖2．8所示。第15頁,共50頁，2024年2月25日，星期天另外，傳統(tǒng)D類放大器結構采用PWM調(diào)制，其開關頻率固定(即三角載波頻率)。在進行D類放大器設計時，為了減小輸出信號的失真，通常要求很高的三角載波頻率。提高開關頻率的方法和信號處理原理中的縮短系統(tǒng)采樣時間相類似，它可以減少輸出波形的失真度并得到更高精度的輸出波形。然而隨著開關頻率的提高，將會帶來以下兩個主要問題：1、開關損耗將隨著開關頻率的增加而增加。2、產(chǎn)生嚴重的電磁干擾現(xiàn)象(EMI)。然而，當輸入信號的頻率較低時，不需要太高的開關頻率即可獲得較低失真度的輸出放大信號。而此時若仍采用傳統(tǒng)PWM調(diào)制方式，開關頻率將因為固定而不能跟隨輸入信號的頻率進行調(diào)節(jié)，從而間接降低放大器的工作效率。第16頁,共50頁，2024年2月25日，星期天基于數(shù)字信號處理的數(shù)字功率放大器為了解決傳統(tǒng)D類放大器中存在的上述問題，我們引入數(shù)字信號處理技術，直接將輸入的數(shù)字音源轉換為PWM信號，并借助數(shù)字信號處理技術，極大的減少音頻信號中的噪聲，從而進一步降低對輸出濾波器的設計要求，甚至可省去輸出低通濾波器環(huán)節(jié)，其結構如圖2-9所示。第17頁,共50頁，2024年2月25日，星期天從圖2-9可知，基于數(shù)字PWM的功率放大器的主要特點是直接對數(shù)字音源進行放大，其中數(shù)字信號處理器的功能是將數(shù)字音源調(diào)制為PWM開關信號，以此控制橋式放大電路中功率開關管的通斷，橋式放大電路輸出的放大的PWM信號再通過一個低通濾波器后就可在揚聲器中還原輸入音頻信號D類放大器的輸出功率與喇叭阻抗是近似成反比的關系第18頁,共50頁，2024年2月25日，星期天普通D類放大器都需要輸出低通濾波器，以濾去脈寬調(diào)制的脈沖，如果不加濾波器，會引起靜態(tài)電流的增大，和EMI的增大無濾波器D類放大器采用了不同的調(diào)制技術可以避免靜態(tài)電流的增大，還能夠減小EMITI最早在2001年提出了無濾波器技術的專利龍鼎微電子公司在2007年申請了新的無濾波器專利，并成功地推出了PAM8803三瓦D類功放無濾波器D類放大器第19頁,共50頁，2024年2月25日，星期天D類放大器的失真主要考慮非線性失真或總諧波失真THD＋N其產(chǎn)生是由于：采樣時的脈寬誤差和量化誤差驅動管的死區(qū)和延時功放管的導通時間和二極管恢復輸出濾波電感和電容的非線性第20頁,共50頁，2024年2月25日，星期天D類放大器的應用第21頁,共50頁，2024年2月25日，星期天數(shù)字音頻功率放大芯片簡介1995年成立于美國加州的SanJose的TripathTechnologylnc．是一家研究數(shù)字功放技術較早和很具實力的公司，1998年，它發(fā)明了一種稱作DDPTM(DigitalPowerProcessingTM)數(shù)字功率處理技術，取名為“T"類數(shù)字功放。基于此項技術開發(fā)出的專用數(shù)字功放處理芯片供第三方生產(chǎn)放大器和其他音響使用。Tripath公司已經(jīng)擁有500W甚至上千w的數(shù)字放大器評估模塊供第三方生產(chǎn)放大器和其它音響、電視產(chǎn)品之用。例如，SONY、APPLE、SHARP、MARANTZ、BelCantoDesign、AudioSource等都把它用到自己的高質量音響產(chǎn)品中去。另外，美國TI公司、NS、ST、PHILIPS、YAMAHA等公司也紛紛推出自主設計的數(shù)字音頻功放芯片。如NS的LM系列，ST的STA系列，PHILIPS的TDA系列，YAMAHA的YDA系列等第22頁,共50頁，2024年2月25日，星期天NS4158NS4158是一款帶防失真功能，超低EMI，無需濾波器，5W高效率的單聲道數(shù)字音頻功放。獨特的防失真功能可以通過檢測輸出信號的失真，動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)增益，不僅有效防止過載輸出對喇叭的損壞，同時帶來舒適的聽覺感受。實際應用可以通過軟件或者硬件設置放大器工作在防失真模式和普通模式。軟件是通過一線脈沖控制，硬件是通過電平控制。應用非常靈活。NS4158采用先進的技術，在全帶寬范圍內(nèi)極大地降低了EMI干擾，最大限度地減少對其他部件的影響。其輸出無需濾波器的PWM調(diào)制結構及反饋電阻內(nèi)置方式減少了外部元件、PCB面積和系統(tǒng)成本。NS4158在5V的工作電壓時，能夠向2Ω負載提供5W的輸出功率。NS4158內(nèi)置過流保護、過熱保護及欠壓保護功能，有效地保護芯片在異常工作狀況下不被損壞。并且利用擴頻技術充分優(yōu)化全新電路設計,高達90%以上的效率更加適合低電壓，高功率輸出的音頻系統(tǒng)。第23頁,共50頁，2024年2月25日，星期天防失真功能，軟件或者硬件設置工作模式輸出功率：3.0W(4Ω負載),3.8W(3Ω負載),5.0W(2Ω負載)工作電壓范圍：2.5V～5.5V0.1%THD+N（2.0W輸出功率、5V電源、2Ω負載）優(yōu)異的全帶寬EMI抑制能力優(yōu)異的“上電，掉電”噪聲抑制高達90%的效率高PSRR(電源抑制比)：-80dB（217Hz）過流保護、過熱保護、欠壓保護應用領域USB2.1音響、插卡2.1音響、移動2.1音響、對箱，普通插卡音響主要特性第24頁,共50頁，2024年2月25日，星期天NS4158封裝管腳分配圖第25頁,共50頁，2024年2月25日，星期天典型應用電路第26頁,共50頁，2024年2月25日，星期天原理框圖第27頁,共50頁，2024年2月25日，星期天防失真功能NS4158有防失真功能。通過CTRL引腳設置可進入防失真工作模式。放大器自動檢測輸出削頂失真，自動調(diào)整放大器的增益，達到防失真效果。如下圖所示：第28頁,共50頁，2024年2月25日，星期天第29頁,共50頁，2024年2月25日，星期天NS4158應用參數(shù)設置增益計算NS4158增益通過外接輸入電阻Ri設置，總增益計算公式為Av=360k/(10k+Ri)輸入電容Ci和輸入電阻Ri選擇輸入電容和輸入電阻構成高通濾波器，截止頻率為fc=1/[2π×（Ri+10k）×Ci]，在Ri已經(jīng)確定下，根據(jù)截止頻率fc就可以算出Ci。第30頁,共50頁，2024年2月25日，星期天NE4158有兩種工作模式：普通模式和防失真模式，通過軟件和硬件都可以設置芯片工作在不同的模式。軟件設置NS4158支持一線脈沖通過CTRL管腳控制NS4158進入不同的工作模式。第一個上升沿工作在普通模式。第二個上升沿工作在防失真模式。CTRL管腳拉低并且保持100us以上芯片進入關機（SHUTDOWN）模式。芯片進入關機（SHUTDOWN）模式以后。如要重新進入這兩種模式的其中一種必須重新設置。示意圖如下：工作模式設置第31頁,共50頁，2024年2月25日，星期天加在CTRL管腳的一線脈沖高電平寬度（THI）要求1us<THI<12us。低電平寬度（TLO）要求1us<TLO<12us。進入SHUTDOWN模式低電平保持時間（TOFF）要求TOFF>100us。時序圖如下：另外，假如CTRL管腳電平穩(wěn)定在0.9V-0.4VDD之間。芯片工作于防失真模式。第32頁,共50頁，2024年2月25日，星期天硬件設置NS4158也支持硬件設置工作模式。通過CTRL管腳電平設置使NS4158進入不同工作模式。CTRL引腳電壓在0.4VDD-VDD之間，NS4158工作在普通模式；CTRL引腳電壓在0.9V-0.4VDD之間，NS4158工作在防失真模式；CTRL引腳電壓在0.2V以下，NS4158進入SHUTDOWN模式。如下圖所示：假如VDD=5.0V,R1=0Ω時，CTRL引腳電平為VDD=5.0V。芯片工作在普通模式；R1=20k時，CTRL引腳電平為1/3VDD=1.7V。芯片工作在防失真模式；CTRL引腳電平<0.2V時，芯片工作在關機（SHUTDOWN）模式。第33頁,共50頁，2024年2月25日，星期天磁珠與電容NS4158采用先進技術實現(xiàn)了超低EMI良好特性。要充分發(fā)揮NS4158功放的性能。應用時從以下幾個方面可以最大限度降低EMI干擾：1.功放輸出到喇叭的走線，連線盡量短，盡量寬，而且輸出布線，連線盡可能遠離敏感信號線和電路。2.功放電源腳的退耦電容盡可能靠近芯片引腳。電源線，地線最好采用星形接法。3.由于空間限制等原因應用環(huán)境比較惡劣時在輸出端加磁珠和電容可以有效抑制EMI干擾。使用時磁珠和電容盡可能靠近芯片引腳。以下是NS4158輸出端加了磁珠和電容之后的應用設計參考電路：第34頁,共50頁，2024年2月25日，星期天PAM8403（立體聲）PAM8403是一顆輸出功率為3瓦特的D類音頻功率放大器IC，它具有諧波失真低，噪聲串擾小的特點使其對聲音的重放得到較好的音質。采用新型無耦合輸出及無低通濾波電路之架構,使其可直接驅動喇叭降低了整個方案成本及PCB空間的占用。在相同的外圍元器件個數(shù)下，D類功放ICPAM8403比甲類功放的效率要好得多，這樣就延長了電池的續(xù)航力，是攜便式設備（如筆記本電腦等）的理想選擇。第35頁,共50頁，2024年2月25日，星期天特點無濾波器的D類放大器，低靜態(tài)電流和低EMI；在4Ω負載和5V電源條件下，提供高達3W輸出功率；高達90%效率；低THD，低噪聲；短路電流保護；熱保護；極少外部元器件，節(jié)省空間和成本；無鉛封裝。應用：LCD電視機、監(jiān)視器；筆記本電腦；便攜式揚聲器、便攜式DVD播放機、手機/免提電話第36頁,共50頁，2024年2月25日，星期天引腳定義第37頁,共50頁，2024年2月25日，星期天典型應用電路圖第38頁,共50頁，2024年2月25日，星期天原理框圖第39頁,共50頁，2024年2月25日，星期天使用注意事項1.當PAM8403工作在無濾波器時，必須先接通揚聲器再接通電源，否則容易對芯片造成損壞。2.當PAM8403工作在無濾波器時，最好在連接到揚聲器的引出線口套上一個鐵氧所磁環(huán)，以減少可能的電磁干擾。3.芯片的極限工作電壓為5.5V，最大工作電壓為5.0V。在電池工作時，應當注意如果采用4節(jié)新的普通干電池或堿性電池時，其電壓有可能會超過6V，從而造成對芯片的損壞。所以最好采用4節(jié)充電電池，或是3節(jié)堿電池，其總電壓不超過5.5V。4.由于芯片中的數(shù)字音量控制具有很大的增益，所以在增大其音量時要注意不要讓輸入信號過大而使信號產(chǎn)生切割限幅，甚至還可能使芯片損壞。5.在測試時，如果無濾波器工作，采用純電阻代替揚聲器，所得到的測試結果會比采用揚聲器作為負載時的結果差。包括THD的結果，效率測試的結果等第40頁,共50頁，2024年2月25日，星期天應用信息最大增益MaximumGain如原理框圖所示，PAM8403內(nèi)部有兩級放大器，第一級增益由輸入電阻Ri（芯片外部與芯片內(nèi)部之和）和反饋電阻Rf決定，第二級增益固定為1.4x，另外，PAM8403為BTL輸出結構功率放大器，其增益為單端輸出功放的2倍。因此PAM8403總的增益為：AVD=20*log[2*(Rf/Ri)*1.4]PAM8403的反饋電阻Rf=85KΩ,而輸入電阻Ri=15KΩ,所以最大閉環(huán)增益是24dB。第41頁,共50頁，2024年2月25日，星期天靜音工作模式MuteOperation/MUTE引腳是PAM8403控制輸出級的一個輸入端，在這個引腳上加一個邏輯低電平關閉輸出，輸入一個邏輯高電平開啟輸出。這個引腳可作為輸出端的快速關閉/啟動，而不需要慢慢減低音量。因為內(nèi)部的上拉電阻，/MUTE引腳可以懸空。關斷工作模式Shutdownoperation為了減少不使用的功率消耗，PAM8403包含關閉電路來關閉放大器的偏壓電路。當/SHDN引腳加低電平時，器件處于判斷模式，電源電流將會減至最小。因為內(nèi)部上拉電阻，/SHDN引腳可以懸空。第42頁,共50頁，2024年2月25日，星期天輸入電容（Ci）InputCapacitor(Ci)對于便攜式設計，大輸入電容既昂貴又占用空間。因此需要恰當?shù)妮斎腭詈想娙?。但在許多便攜式應用揚聲器的例子中，無論內(nèi)部還是外部，很少可以重現(xiàn)低于100Hz至150Hz的信號。因此，使用一個大的輸入電容不會增加系統(tǒng)性能。輸入電容（Ci）和輸入電阻（Ri）組成一個高通濾波器，切斷頻率為：第43頁,共50頁，2024年2月25日，星期天TDA7492