1、手機(jī)設(shè)計(jì)中音頻功率放大器介紹前言：一部精美的手機(jī) , 配上悅耳的鈴聲，無(wú)論走到哪里都能引來(lái)無(wú)數(shù)羨慕的目 光。手機(jī)聲音音質(zhì)的好壞對(duì)手機(jī)設(shè)計(jì)成功與否有著重大的影響 , 而功率放大器對(duì) 音色的還原質(zhì)量 , 有著舉足輕重的作用。下面就音頻放大器 （Audio power amplifier） 在手機(jī)中的應(yīng)用做一下簡(jiǎn)單的分析。一、音頻放大器分類 傳統(tǒng)的數(shù)字語(yǔ)音回放系統(tǒng)包含兩個(gè)主要過(guò)程： 1、數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)到模擬語(yǔ)音信號(hào) 的變換（利用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC實(shí)現(xiàn)；2利用模擬功率放大器進(jìn)行模擬信號(hào) 放大，如A類、B類和AB類放大器。從1980年代早期，許多研究者致力于開(kāi) 發(fā)不同類型的數(shù)字放大器，這種放大器直接從

2、數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)功率放大而不 需要進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，這樣的放大器通常稱作數(shù)字功率放大器或者D類放大器。1、A類放大器A類放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的工作點(diǎn) Q設(shè)定在負(fù)載線的中點(diǎn)附近，晶體管 在輸入信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作，也可以推挽工作。由于 放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi)，所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡(jiǎn) 單，調(diào)試方便。但效率較低，晶體管功耗大，功率的理論最大值僅有25，且有較大的非線性失真。 由于效率比較低 現(xiàn)在設(shè)計(jì)基本上不在再使用。2、B類放大器B類放大器的主要特點(diǎn)是：放大器的靜態(tài)點(diǎn)在（VCC, 0）處，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入 時(shí)，輸出端幾乎不消耗功率。在 Vi的正半周期內(nèi)，Q1

3、導(dǎo)通Q2截止，輸出端正 半周正弦波；同理，當(dāng) Vi 為負(fù)半波正弦波 （如圖虛線部分所示 ） ，所以必須用兩 管推挽工作。其特點(diǎn)是效率較高 （78%），但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域 內(nèi)，故其缺點(diǎn)是 交越失真較大。即當(dāng)信號(hào)在 -0.6V 0.6V 之間時(shí)， Q1 Q2 都 無(wú)法導(dǎo)通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設(shè)計(jì)師摒棄。3、AB類放大器AB類放大器的主要特點(diǎn)是：晶體管的導(dǎo)通時(shí)間稍大于半周期，必須用兩管推挽 工作?？梢员苊饨辉绞д?。交替失真較大，可以抵消偶次諧波失真。有效率較 高，晶體管功耗較小的特點(diǎn)。當(dāng)信號(hào)在 -0.6VVI4、D類放大器D類（數(shù)字音頻功率）放大器是一種將輸入模擬音頻信號(hào)

4、或 PCM數(shù)字信息變換成 PWM脈沖亮度調(diào)制）或PDM脈沖密度調(diào)制）的脈沖信號(hào)，然后用PW或PDM勺脈 沖信號(hào)去控制大功率開(kāi)關(guān)器件通 / 斷音頻功率放大器，也稱為開(kāi)關(guān)放大器。具有效率高的突出優(yōu)點(diǎn) . 數(shù)字音頻功率放大器也看上去成是一個(gè)一比特的功率數(shù)模變 換器. 放大器由輸入信號(hào)處理電路、開(kāi)關(guān)信號(hào)形成電路、大功率開(kāi)關(guān)電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成.D類放大或數(shù)字式放大器。系利 用極高頻率的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路來(lái)放大音頻信號(hào)的。1. 具有很高的效率，通常能夠達(dá)到 85%以上。2. 體積小，可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。3. 無(wú)裂噪聲接通4. 低失真，頻率響應(yīng)曲線好。外圍元器件

5、少，便于設(shè)計(jì)調(diào)試 如圖4所示，PDM言號(hào)與PW信號(hào)相比，沒(méi)有固定的工作頻率，其將輸入的音 頻信號(hào)調(diào)制成一組脈沖寬度相同但是頻率不同的 PDM言號(hào)，有效的改善了 PWM 帶來(lái)的 EMI 問(wèn)題。目前市場(chǎng)上產(chǎn)品還不是很多。PWM(Pulse Width Modulation)/中A類、B類和AB類放大器是模擬放大器，D類放大器是數(shù)字放大器。B類和 AB類推挽放大器比A類放大器效率高、失真較小，功放晶體管功耗較小，散熱 好，但B類放大器在晶體管導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)因其開(kāi)關(guān)特性不佳 或因電路參數(shù)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生交替失真。而 D 類放大器具有效率高低失真，頻 率響應(yīng)曲線好。外圍元器件少優(yōu)點(diǎn)。AB類放

6、大器和D類放大器是目前音頻功率 放大器的基本電路形式。、音頻放大器重要參數(shù)1. 電源紋波抑制比(PSRR)電源紋波抑制比(power supply rejection rate)是音頻放大器的輸入測(cè)量電源電壓的偏差偶合到一個(gè)模擬電路的輸出信 號(hào)的比值。PSRRz映了音頻功率放大器對(duì)電源的紋波要求，PSRRS越大越好，音頻放大器輸出音質(zhì)就越好。2. 總諧波失真加噪聲(THD + N )總諧波失真(total harmonicdistortion) 是指一個(gè)模擬電路處理信號(hào)后，在一個(gè)特定頻率范圍內(nèi)所引 入的總失真量。噪聲 (noise) 是指通常不需要的信號(hào)。有時(shí)是由于由于熱 或者其它物理?xiàng)l件產(chǎn)生

7、的在線路板上的其它電氣行為(干擾)。從THD+N的定義中不難看出總諧波失真和噪聲越小越好。3. 信噪比 (SNR) 通常指一個(gè)模擬信號(hào)中有用信號(hào)和噪聲之間的比值。4. 增益(AO)對(duì)音頻功率放大器來(lái)說(shuō)增益通常指放大器輸出功率和輸入功率 之間的比值。增益越大說(shuō)明放大器的效率越高。5. 最大輸出功率(POCM輸出功率反映了一個(gè)音頻功率放大器的負(fù)載能力， 通常音頻放大器廠家會(huì)提供產(chǎn)品的在工作電壓一定條件和額定負(fù)載下的 的最大輸出功率。6. 關(guān)斷電流(Shutdown current) 和輸出偏移電壓(Output OffsetVoltage) 。關(guān)斷電流越小，說(shuō)明在待機(jī)條件下的放大器功耗小。輸出偏移

8、電壓小有利于電 池壽命的延長(zhǎng)。三、手機(jī)常用音頻放大器介紹 簡(jiǎn)單介紹目前手機(jī)設(shè)計(jì)中音頻放大器有 AB類放大器也有D類，主要的生產(chǎn)廠家 有美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NS）、美國(guó)德州儀器（TI）、意法半導(dǎo)體公司（ST）、美國(guó) 安森美公司（ONSEMI。他們代表性的產(chǎn)品及其性能比較如表 1和表2所示。其 中NCP2890和NCP2809為美國(guó)安森美公司產(chǎn)品，LM4890和LM4911為美國(guó)國(guó)家 半導(dǎo)體公司產(chǎn)品，TS4890為意法半導(dǎo)體公司產(chǎn)品，TPA6203A偽美國(guó)德州儀器 的產(chǎn)品，MAX441為美信公司產(chǎn)品（MAXIM）, 下面以O(shè)NSEM公司產(chǎn)品為例介紹一下音頻功率放大器在手機(jī)中的應(yīng)用，電路圖 如圖 5

9、、 6 所示。NCP289C在工作電壓5V時(shí)能夠給8歐姆負(fù)載持續(xù)提供1W的最大輸出功率，而 在工作電壓2.6V時(shí)能夠給4歐姆負(fù)載提供320 mW的輸出功率。如圖5所示 NCP289C能夠提供高質(zhì)量的音質(zhì)，芯片自身帶的邏輯關(guān)斷設(shè)計(jì)模式，使電路設(shè) 計(jì)中芯片的周圍器件少和自身功耗小。在 NCP289C內(nèi)部專門(mén)設(shè)計(jì)了消噪聲電 路，消除了功率放大器在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生人耳可聽(tīng)到的噪聲。開(kāi)機(jī) 時(shí)，邏輯高電平加到開(kāi)關(guān)控制端，旁路電容上的直流電壓值開(kāi)始按指數(shù)規(guī)律增 加，當(dāng)電壓值達(dá)到共模電壓值（Vp/2 ）時(shí)，開(kāi)始輸出功率（此過(guò)程大約 50ms）;而關(guān)機(jī)時(shí)，控制端接低電平，負(fù)載被連接到接地端，輸出功率為零，

10、此 時(shí)電路的直流靜態(tài)電流小于100nA。盡管NCP289C內(nèi)部含有過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)電 路，但是在使用時(shí)，一定要注意供電電源電壓不能超過(guò)其極限值，以免造成芯 片損壞。NCP4894是 ONSEM公司專門(mén)為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)的一款全微分音頻功率放大器。 NCP4894做為一款優(yōu)秀的音頻功率放大器能夠提供高質(zhì)量的聲音，尤其用在手 機(jī)設(shè)計(jì)中優(yōu)點(diǎn)尤為突出。NCP4894勺總諧波失真加噪聲（THD + N）比小于 0.01%。在工作電壓5V,負(fù)載8歐姆時(shí)它的輸出最大功率為1W在工作電壓 2.6V時(shí),輸出功率為250mW.NCP289C和NCP489姒及NCP4896都可用在手機(jī)設(shè)計(jì)中，他們的小封裝形式可 以提高PCB的利用率。四、手機(jī)設(shè)計(jì)中音頻放大器選用的幾點(diǎn)建議1. 采用了全差分輸入及輸出的音頻功率放大器，提高電源抑制比。2. 盡量采用效率高，功耗低，內(nèi)部升溫小的設(shè)計(jì)，這樣可以延長(zhǎng)電池和芯 片的使用壽命。在有限帶寬設(shè)計(jì)時(shí)，建議使用 D類放大器。3. 音頻放大器在使用時(shí)一定要注意供電電源電壓不能超過(guò)其極限值，以免 造成芯片損壞。五、音頻放大器產(chǎn)品展望 現(xiàn)在消費(fèi)者追求著小巧的外型、低功耗、低價(jià)格以及聽(tīng)力的舒適感。供應(yīng)商也逐漸認(rèn)識(shí)到，必