手机设计中音频功率放大器介绍要点

1、手机设计中音频功率放大器介绍前言：一部精美的手机 , 配上悦耳的铃声，无论走到哪里都能引来无数羡慕的目 光。手机声音音质的好坏对手机设计成功与否有着重大的影响 , 而功率放大器对 音色的还原质量 , 有着举足轻重的作用。下面就音频放大器 （Audio power amplifier） 在手机中的应用做一下简单的分析。一、音频放大器分类 传统的数字语音回放系统包含两个主要过程： 1、数字语音数据到模拟语音信号 的变换（利用高精度数模转换器DAC实现；2利用模拟功率放大器进行模拟信号 放大，如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期，许多研究者致力于开 发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从

2、数字语音数据实现功率放大而不 需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。1、A类放大器A类放大器的主要特点是：放大器的工作点 Q设定在负载线的中点附近，晶体管 在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于 放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简 单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25，且有较大的非线性失真。 由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用。2、B类放大器B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在（VCC, 0）处，当没有信号输入 时，输出端几乎不消耗功率。在 Vi的正半周期内，Q1

3、导通Q2截止，输出端正 半周正弦波；同理，当 Vi 为负半波正弦波 （如图虚线部分所示 ） ，所以必须用两 管推挽工作。其特点是效率较高 （78%），但是因放大器有一段工作在非线性区域 内，故其缺点是 交越失真较大。即当信号在 -0.6V 0.6V 之间时， Q1 Q2 都 无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。3、AB类放大器AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽 工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较 高，晶体管功耗较小的特点。当信号在 -0.6VVI4、D类放大器D类（数字音频功率）放大器是一种将输入模拟音频信号

4、或 PCM数字信息变换成 PWM脉冲亮度调制）或PDM脉冲密度调制）的脉冲信号，然后用PW或PDM勺脉 冲信号去控制大功率开关器件通 / 断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点 . 数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变 换器. 放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成.D类放大或数字式放大器。系利 用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。1. 具有很高的效率，通常能够达到 85%以上。2. 体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。3. 无裂噪声接通4. 低失真，频率响应曲线好。外围元器件

5、少，便于设计调试 如图4所示，PDM言号与PW信号相比，没有固定的工作频率，其将输入的音 频信号调制成一组脉冲宽度相同但是频率不同的 PDM言号，有效的改善了 PWM 带来的 EMI 问题。目前市场上产品还不是很多。PWM(Pulse Width Modulation)/中A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。B类和 AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热 好，但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳 或因电路参数选择不当而产生交替失真。而 D 类放大器具有效率高低失真，频 率响应曲线好。外围元器件少优点。AB类放

6、大器和D类放大器是目前音频功率 放大器的基本电路形式。、音频放大器重要参数1. 电源纹波抑制比(PSRR)电源纹波抑制比(power supply rejection rate)是音频放大器的输入测量电源电压的偏差偶合到一个模拟电路的输出信 号的比值。PSRRz映了音频功率放大器对电源的纹波要求，PSRRS越大越好，音频放大器输出音质就越好。2. 总谐波失真加噪声(THD + N )总谐波失真(total harmonicdistortion) 是指一个模拟电路处理信号后，在一个特定频率范围内所引 入的总失真量。噪声 (noise) 是指通常不需要的信号。有时是由于由于热 或者其它物理条件产生

7、的在线路板上的其它电气行为(干扰)。从THD+N的定义中不难看出总谐波失真和噪声越小越好。3. 信噪比 (SNR) 通常指一个模拟信号中有用信号和噪声之间的比值。4. 增益(AO)对音频功率放大器来说增益通常指放大器输出功率和输入功率 之间的比值。增益越大说明放大器的效率越高。5. 最大输出功率(POCM输出功率反映了一个音频功率放大器的负载能力， 通常音频放大器厂家会提供产品的在工作电压一定条件和额定负载下的 的最大输出功率。6. 关断电流(Shutdown current) 和输出偏移电压(Output OffsetVoltage) 。关断电流越小，说明在待机条件下的放大器功耗小。输出偏移

8、电压小有利于电 池寿命的延长。三、手机常用音频放大器介绍 简单介绍目前手机设计中音频放大器有 AB类放大器也有D类，主要的生产厂家 有美国国家半导体公司（NS）、美国德州仪器（TI）、意法半导体公司（ST）、美国 安森美公司（ONSEMI。他们代表性的产品及其性能比较如表 1和表2所示。其 中NCP2890和NCP2809为美国安森美公司产品，LM4890和LM4911为美国国家 半导体公司产品，TS4890为意法半导体公司产品，TPA6203A伪美国德州仪器 的产品，MAX441为美信公司产品（MAXIM）, 下面以ONSEM公司产品为例介绍一下音频功率放大器在手机中的应用，电路图 如图 5

9、、 6 所示。NCP289C在工作电压5V时能够给8欧姆负载持续提供1W的最大输出功率，而 在工作电压2.6V时能够给4欧姆负载提供320 mW的输出功率。如图5所示 NCP289C能够提供高质量的音质，芯片自身带的逻辑关断设计模式，使电路设 计中芯片的周围器件少和自身功耗小。在 NCP289C内部专门设计了消噪声电 路，消除了功率放大器在开启和关闭过程中会产生人耳可听到的噪声。开机 时，逻辑高电平加到开关控制端，旁路电容上的直流电压值开始按指数规律增 加，当电压值达到共模电压值（Vp/2 ）时，开始输出功率（此过程大约 50ms）;而关机时，控制端接低电平，负载被连接到接地端，输出功率为零，

10、此 时电路的直流静态电流小于100nA。尽管NCP289C内部含有过流和过热保护电 路，但是在使用时，一定要注意供电电源电压不能超过其极限值，以免造成芯 片损坏。NCP4894是 ONSEM公司专门为移动设备设计的一款全微分音频功率放大器。 NCP4894做为一款优秀的音频功率放大器能够提供高质量的声音，尤其用在手 机设计中优点尤为突出。NCP4894勺总谐波失真加噪声（THD + N）比小于 0.01%。在工作电压5V,负载8欧姆时它的输出最大功率为1W在工作电压 2.6V时,输出功率为250mW.NCP289C和NCP489姒及NCP4896都可用在手机设计中，他们的小封装形式可 以提高PCB的利用率。四、手机设计中音频放大器选用的几点建议1. 采用了全差分输入及输出的音频功率放大器，提高电源抑制比。2. 尽量采用效率高，功耗低，内部升温小的设计，这样可以延长电池和芯 片的使用寿命。在有限带宽设计时，建议使用 D类放大器。3. 音频放大器在使用时一定要注意供电电源电压不能超过其极限值，以免 造成芯片损坏。五、音频放大器产品展望 现在消费者追求着小巧的外型、低功耗、低价格以及听力的舒适感。供应商也逐渐认识到，必