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选择正确的放大器来设计扬声器
作者:Tim Dhuyvetter    来源:电子工程专辑
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音频器件/扬声器展厅
音频功率放大器, 语音芯片, 喇叭, 扬声器, 蜂鸣器, ...
随着时间的推移,便携式设备音频放大电路的使用模型已经得到了长足的发展。例如:在蜂窝电话的主要功能还是简单地从靠近耳朵的扬声器再现语音时,听筒仅需非常小的功率。另外,像总谐波失真(THD)、噪声和信噪比(SNR)等音频质量也很少需要考虑。
语音一般由高峰值因数、低占空比的信号组成,因此,语音需要很低的平均功率,而在效率方面则无需多加考虑。由于射频和显示功能在蜂窝电话的总功耗中占主要部分,因此大多数效率问题都涉及非音频电子元器件。

但最近,蜂窝电话和其它便携式电子产品都集成了听筒、耳机扬声器和近场扬声器(用于免提操作)。另外,再现音乐(MP3文件)和电影声道也给音频通道带来了沉重的负担。结果,音频通道的功耗不再是枝节问题,而是成为了功率泄漏的主要渠道。而且,低保真度的声音再现也成为了过去时,如今的音频传输要求100dB以上的信噪比和小于0.1%的总谐波失真。

耳机放大器

声学音频功率放大器一般分成两种工作类型:耳机放大器(HPA)和扬声器放大器(SPA)。耳机放大器必须驱动32Ω或16Ω扬声器高达30mW,并且还要保持非常高的音频质量(典型值是105dB SNR,0.01%THD和20kHz带宽)。不过,对耳机应用来说,30mW是一个非常高的输出功率,它高到足以使人感到疼痛。典型的收听电平在100μW至1mW之间。

在32Ω负载上产生30mW功率需要1.4V的峰值信号摆幅,同时,还要为IR压降准备额外的余量。因此,通常使用±1.8V的供电电压来达到30mW的输出功率。

典型的耳机线缆包含3根:两根分别用于左右驱动信号,另一根则用于公共的返回地。此外,还可能需要增加其它线路用于音量控制、静音或麦克风输出。在这样的配置下,立体声耳机放大器必须采用单端输出。

但是如果供电采用单电压轨,这将导致很大的直流偏置问题。为了避免使用大的交流耦合电容,大多数耳机放大器采用分离电源供电,即通常用一个片上逆变电荷泵产生负电压轨。

大多数耳机放大器采用线性放大器(例如:A/B类输出级的变体)来实现耳机放大器所要求的高品质音频性能。传统的A/B类放大器由A类和B类工作模式组成(图1)。这类放大器一般设计为在低输出功率时主要工作在A类。由于交越失真很小,所以A类状态可以提供最佳的音频性能。

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1:带常用输出级配置的A类(a)、B类(b)和A/B类(c)线性放大器设计

B类工作模式在高输出电平时生效,这时,它具有比A类更高的效率。但是,B类工作模式具有较高的交越失真。总之,A/B类放大器可以取得非常低的总谐波失真,因为交越失真大部分可以由闭环反馈衰减掉。

在恒定供电条件下,A/B类放大器效率正比于输出电压摆幅。为了挽回低输出功率时的效率损失,可以使用“G类工作模式”技术来降低低电平信号时的电压轨值。

需要用一个电路来检测输入信号电平。如果该电平超过一个预先确定的门限值,就可以根据需要将电压轨抬高到更高的值。大多数G类放大器具有两个电压轨值:一个用于大信号摆幅的高轨值(VDD),以及一个用于低电平信号的只有VDD一小部分(如VDD的1/2)的低轨值(图2)。这样,在满刻度输出功率1/4处的信号效率近似等于满刻度功率信号时的效率(图3)。

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图2:G类耳机放大器(带分离电源)有助于挽回低输出功率时的效率损失

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图3:在G类耳机放大器工作中,1/4满刻度输出功率的信号效率近似等于满刻度功率信号的功率。
这里,信号电平驱动两个电压轨值

G类工作模式的一个变体被命名为“H类工作模式”,此时供电轨随着峰值信号要求连续变化(图4和图5)。这样可以最大限度地提高所有信号电平点的效率。但由于电路设计和工艺限制的原因,H类工作模式的最小电压轨值是受限的。

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图4:H类耳机放大器的电压轨随峰值信号要求连续变化

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图5:H类工作模式(G类的一个变体)在耳机放大器中很少见到,但它可以最大限度地提高所有信号电平点的效率。
不过,它对最小供电电平有所限制

一些制造商将术语“H类”套用到实际上是工作在G类的耳机放大器上。真正的H类工作模式在目前的IC耳机放大器中几乎很少见到。

扬声器放大器

便携式电子产品中的扬声器放大器(用于免提和扬声器话机工作等近场应用)通常需要驱动8Ω或4Ω的扬声器。典型的收听电平落在100至300mW范围,但IC放大器通常能够提供1至2.7W的平均输出功率,峰值输出则接近该电平的两倍。

为了在8Ω负载上产生1.7W功率,扬声器放大器必须向扬声器负载提供5.2V峰值或约3.7V有效值的电压。考虑到IR压降方面的余量,一个1.7W的扬声器放大器一般使用5.5V的电压轨。如果用更大的开关可以实现更低的IR压降,那么稍高于1.8W也有可能。这些输出功率值具有1%的总谐波失真。在总谐波失真为10%时,可以产生更大的输出功率。

一般来说,在便携式音频产品中,近场扬声器不会再现高质量音频。因此,扬声器放大器通常无需达到耳机放大器的音频性能。典型的音频性能是全功率时1%的总谐波失真,10kHz带宽和94dB信噪比。

与耳机放大器相比,效率对扬声器放大器来说是一个更加重要的因素,因为扬声器放大器的功率电平要高得多。耳机放大器的效率一般低于50%——这并不算高,但与具有4.7Wh容量的电池相比却是很小的功耗(对正常收听电平来说约为电池容量的0.01%)。然而,工作在1W的扬声器放大器同样50%的功耗却等于0.5W,或约为电池容量的10%。

D类扬声器放大器

耳机放大器和扬声器放大器工作效率对比的重要性,是在一个或另一个收听模式中所花时间的函数。比方说,蜂窝话机在扬声器模式时会消耗更多的功率,因此效率就变得非常重要。可以使用线性放大器(如A/B类)来驱动扬声器(过去经常如此),但今天首选的扬声器驱动器却是D类放大器(图6)。D类扬声器放大器可以在很宽的输出功率电平内保持高效率,而只有在功率电平低于全功率的1%至2%时,效率才开始下降。

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图6:目前扬声器驱动器的流行选择是D类放大器,它能在多个输出功率电平点提供高效率

D类放大器不是线性的,而是一种开关放大器。在开关放大器中,高频载波(相对于音频频带)会对音频输入信号进行调制,一般从100kHz至1MHz。因此,输出级可以被“数字”切换(轨到轨),从而将输出功率器件置于开(on)或关(off)状态,这正是最高效率点。

开关放大器通常配置在电桥模式,以差分方式驱动扬声器负载,这样可以避免使用输出交流耦合电容。因为电桥模式的放大器每个通道使用4个功率开关,所以体积是单端输出级放大器的两倍。然而,在给定电压轨条件下,电桥模式输出级的输出功率却是单端放大器的4倍。

D类放大器可以实现很高的效率,一般超过90%。但是使用这类放大器也有缺点。因为音频内容现在是调制过的信号,所以必须通过某种低通滤波器(LPF)解调后,才能驱动扬声器负载。不会造成效率损失或失真问题的大功率LPF不仅体积大,而且价格昂贵,因此,在便携式设备中无法使用。

然而,便携式设备中的扬声器本身就是一个LPF,它可以向典型的载频提供高阻抗。在像蜂窝话机这样的便携式设备中,经常将扬声器用作LPF,并用它解调开关放大器的输出信号。有时,在D类的输出端串联一些铁氧体磁珠来减少大功率开关输出所产生的电磁干扰(EMI)。由于扬声器具有高阻抗,其调制信号仅耗散非常小的能量,因此能够保持很好的效率。

但是当扬声器放大器输出和扬声器负载之间使用长线,并且没有独立的低通滤波器时,使用开关放大器会带来严重的EMI问题。基于这个原因,如果耳机位于长线的末端,耳机放大器就不会使用D类放大器。因此,D类放大器应靠近扬声器负载,以避免产生过多的电磁干扰辐射。

业界也经常使用其它类型的扬声器放大器,但大多数是本文所述的线性和开关模式放大器设计的变体。在现代便携式电子产品中,对更高电池能量的需求与日俱增。用于视频内容的高分辨率大型彩色显示器,高分辨率相机和闪存,以及大功率音频输出都会影响电池寿命。为了延长电池运行时间,提高音频扬声器放大器的效率随即成为了重要的设计考虑因素。
文章内容仅供参考 (投稿) (3/13/2012)
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