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本帖最后由 老郭 于 2009-9-22 08:52 編輯 作者：張揚 ADI便攜式音頻產(chǎn)品線(xiàn)低功耗D類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理 劉鋼 ADI公司應用工程師 時(shí)間：2009-09-08 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 不同含義的效率 D類(lèi)音頻放大器最具吸引力的特性是高效率。音頻放大器的效率有多種含義不同的效率，傳統定義是輸出電功率與總輸入功率之比。對于音頻放大器，轉換為可聽(tīng)聲音的電功率與總輸入功率之比需要最大，這引出了另一個(gè)含義的效率。請注意這兩個(gè)效率定義之間的差別： A.總電氣效率=輸出功率/輸入功率; B. 可聽(tīng)聲音電氣效率=可聽(tīng)聲音電氣輸出功率/輸入功率。 音頻電氣效率總是低于總電氣效率，D類(lèi)音頻放大器尤其如此。 下面是一些提高可聽(tīng)聲音電氣效率的常用方法： 一、不要使用低于揚聲器響應頻率范圍的信號來(lái)驅動(dòng)揚聲器。例如，大多數手機使用的小尺寸揚聲器不能有效地響應低于400Hz的信號，而音頻信號源可能輸出低至30Hz的頻率分量。用低于該頻率的信號驅動(dòng)這些揚聲器，不僅會(huì )浪費電能和降低可聽(tīng)聲音電氣效率，而且還會(huì )因為將揚聲器驅動(dòng)到線(xiàn)性位移范圍之外而增大揚聲器非線(xiàn)性產(chǎn)生的失真。由于大多數音頻信號源發(fā)出的最低信號頻率低于400Hz，因此需在音頻放大器前面放置高通濾波器�？衫幂斎腭詈�電容和放大器的固定輸入阻抗簡(jiǎn)單地形成高通濾波器來(lái)加以實(shí)現。該濾波器的截止頻率可設置為揚聲器低端截止頻率的幾分之一。 二、不要使用高于揚聲器高端截止頻率的信號來(lái)驅動(dòng)揚聲器。對于手機中使用的典型小尺寸揚聲器，這個(gè)頻率在4KHz到10KHz之間，而有些音頻信號源的信號最高頻率可高達20kHz。以高于這個(gè)頻率的信號驅動(dòng)這些揚聲器不僅會(huì )浪費電能和降低可聽(tīng)聲音電氣效率，而且也使音頻信號的波峰因數(峰值/RMS值)很高，增大了輸出信號被輸出級截斷以致增加失真的可能性。為了防止信號源的高端信號頻率高于揚聲器的高端截止頻率，可在信號源和音頻放大器輸入之間插入低通濾波器，它可以是簡(jiǎn)單的RC濾波器。將低通濾波器放在輸出級之后效果不好，由于信號的波峰因數高，信號可能在到達低通濾波器之前已被輸出級截斷。 三、盡量減小揚聲器中的開(kāi)關(guān)頻率電流。依賴(lài)于D類(lèi)放大器使用的調制方案，揚聲器兩端的差分電壓在開(kāi)關(guān)頻率下變化幅度很大。應選擇具有“無(wú)濾波”調制方案且開(kāi)關(guān)頻率足夠高的放大器，否則，需在放大器輸出端用外部電感濾掉開(kāi)關(guān)頻率分量。8Ω手機揚聲器的典型固有電感在10μH到15μH之間，當開(kāi)關(guān)頻率為1MHz時(shí)，15μH電感與8Ω直流電阻的總阻抗為94.6Ω。SSM2301/2302/2304/2306系列產(chǎn)品使用Σ-Δ脈沖密度調制(PDM)，開(kāi)關(guān)頻率為1.8MHz。這種調制方案在揚聲器兩端產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)頻率電壓較低，而高開(kāi)關(guān)頻率使揚聲器能利用固有電感有效地阻斷開(kāi)關(guān)信號，因而這些器件無(wú)需使用外部電感就可把揚聲器中的開(kāi)關(guān)頻率電流保持在低水平。 將電磁干擾降至最低 
D類(lèi)音頻放大器的工作原理決定它需要使用開(kāi)關(guān)型輸出級，而這種輸出級會(huì )發(fā)射出很強的電磁干擾。參見(jiàn)圖1中的原理圖，插入電感或鐵氧體磁珠和使用電容進(jìn)行旁路的措施可把電磁干擾降到低于一定水平進(jìn)而通過(guò)標準的EMI測試。下面是選擇電感和鐵氧體磁珠的一些基本準則： 一、 使用額定電流高和開(kāi)放式磁回路磁芯電感，以避免電感器飽和非線(xiàn)性所產(chǎn)生的失真。屏蔽型電感的飽和曲線(xiàn)常常很“硬”。 與相同額定電流的電感相比，鐵氧體磁珠尺寸較小但造成的失真較大。 二、 調制方案對輸出電磁干擾會(huì )產(chǎn)生重大影響。ADI公司的SSM2301/2302/2304所使用的Σ-Δ脈沖密度調制可使電磁干擾均勻地散播出去，更易于通過(guò)EMI測試。 PCB(印制電路板)布局對降低電磁干擾有非常重要的作用。一個(gè)關(guān)鍵措施是讓電源和輸出去耦電容器彼此靠近，這樣就可以將它們的地線(xiàn)端子直接焊在一起，參見(jiàn)圖2給出的PCB布局，它是基于圖1的原理圖實(shí)現的。
另外請注意，所有連接到揚聲器端子的PCB走線(xiàn)始于去耦電容焊盤(pán)而不是鐵氧體磁珠焊盤(pán)，否則，電磁干擾無(wú)法降到最低限度。對于Vdd軌，我們對C6使用了同樣的技術(shù)。放大器的引腳5和8節點(diǎn)發(fā)射的電磁干擾最大，這些節點(diǎn)的物理連接尺寸應盡可能地小，同時(shí)不要在這些節點(diǎn)上布局長(cháng)的PCB走線(xiàn)。 盡量減少失真和噪聲 下面是一些實(shí)現低失真的技術(shù)： 1、對于要求失真極低的系統，如THD+N(總諧波失真+噪聲)←65dB，應在輸出端加電感而不是加鐵氧體磁珠，因為后者具有較高的非線(xiàn)性。 2、采用額定電壓為25V到50V甚至更高、使用X7R材料制造的高壓多層陶瓷電容器作為輸入耦合電容(圖1中的C1和C2)。同額定電壓高的電容器相比，低壓電容器的電容值隨偏置電壓變化的幅度更大。 3、將負的輸入節點(diǎn)連接到信號源(如音頻數模轉換器或編碼解碼器)的地線(xiàn)，而不要簡(jiǎn)單地把它連接到自己的接地點(diǎn)上。這種連接方式可最大限度地降低共模噪聲。 4、避免將音頻信號源器件放在遠離放大器的地方，避免對輸入節點(diǎn)使用長(cháng)PCB走線(xiàn)。如果迫不得已，將輸入節點(diǎn)線(xiàn)對平行布線(xiàn)：一條走線(xiàn)放在板的正面，另一條放在反面。這種方式可最大限度地降低回路所接收到的電磁干擾。 5、避免將高頻(>1MHz)電磁干擾引入到輸入端口，否則，整流效應可能把高頻電磁干擾轉換成可聽(tīng)噪聲。圖3顯示了這種整流效應。
其它需關(guān)注的問(wèn)題 消除喀噠聲和噼啪聲：在開(kāi)機或關(guān)機時(shí)，關(guān)斷引腳的切換可使放大器啟動(dòng)或停止，如果放大器IC的設計不合適，揚聲器在此時(shí)會(huì )發(fā)出某種“喀噠”聲或“劈啪”聲。前者由窄脈沖產(chǎn)生，而后者由緩慢衰減的階躍函數產(chǎn)生。通常，D類(lèi)音頻放大器IC(如SSM2301/2302/2304/2306)具備消除“喀噠”聲和“噼啪”聲的功能。在產(chǎn)品投入量產(chǎn)之前應全面測試這些功能。 如果放大器一直與電池相連，關(guān)斷電流可能是另一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。在選擇放大器IC時(shí)，注意留意這個(gè)參數。 PSRR(電源抑制比)：對于手機應用，這個(gè)指標特別重要，但它常常通過(guò)IC設計來(lái)實(shí)現，在系統層面做不了什么。 收聽(tīng)效果 音頻系統設計的最終目標獲得良好的收聽(tīng)效果，它對系統設計是否成功擁有最終決定權。實(shí)現這一目標需要聲學(xué)設計和電子設計的完美結合。在不久的將來(lái)，便攜式電子音頻放大器可能會(huì )結合一些可均衡頻率響應、降低失真和優(yōu)化收聽(tīng)效果的智能或自動(dòng)化方法。 參考文獻： [1]王瑩.音頻放大器發(fā)展趨勢[J].電子產(chǎn)品世界,2009(4):11 [2]SSM2301: Filterless high efficiency mono 1.4W Class-D audio amplifier[R/OL]. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/SSM2301.pdf [3] Katz D, Gentile R, Lukasiak T.嵌入式音頻處理基礎(一)[J].電子產(chǎn)品世界,2008(8):121~124 [4] Katz D, Gentile R, Lukasiak T.嵌入式音頻處理基礎(二)[J].電子產(chǎn)品世界,2008(9):123-127 [5] Katz D, Gentile R, Lukasiak T.嵌入式音頻處理基礎(三)[J].電子產(chǎn)品世界,2008(11):124-127 |
