音频输出功率的计算

1、- -音频功率放大器在便携式产品中的考虑因素 1)较高的PSRR 必须具有较高的Power supply rejection ratio (PSRR)，可以防止受到电源与布线噪声的干扰。 2)快速的开关机(Fast turn on & off) 拥有长时间的待机时间，是手机或个人数字助理的根本要求，AB 类音频放大器的效率约为50%至60%，D类音频放大器的效率可达85%至90%。不管使用何种音频放大器，为了节省功率消耗，在不需要用到音频放大器时，均需进入待机状态。然而当一有声音出现时，音频放大器必须马上进入开机状态。 3)无“开关/切换噪音 (Click & Pop) 开关/切换噪音 常出现

2、于音频放大器进入开关机时，或是由待机回复至正常状态，或是217 Hz手机通信信号时。手机或个人数字助理的使用者绝不会希望听到扰人的噪音，将“Click & Pop消除电路参加音频放大器中，是必备条件。 4较低的工作电压 为增长电池使用时间，常需低至1.8V，仍可工作。 5低电流消耗与高效率 使用CMOS工艺的IC，可降低电流消耗。有时需选择D类音频放大器，目的是延长手机或个人数字助理的工作时间。 6高输出功率 在一样工作电压下具有较高的输出功率，即输出信号的摆幅越接近Vcc与GND时，其输出功率越高。 7较小的封装 (uSMD) 手机或个人数字助理的外观越来越小巧，使得IC封装技术越来越重要，

3、uSMD为现今较常用到的封装技术。 输出功率的计算 单端式(Single-end)放大器如图1所示，其增益为: Gain = Rf/Ri Rf：反响电阻，Ri：输入电阻 由输出功率 = (VRMS)2/Rload，VRMS= Vpeak /21/2 因此单端式(Single-end)放大器输出功率=(Vpeak)2/2Rload 桥接式(BTL)放大器如图2所示，由两个单端式(Single-end)放大器以相差180 组成，故其增益为： Gain = 2Rf/Ri Rf：反响电阻，Ri：输入电阻 由输出功率 = (VRMS)2/Rload，桥接式VRMS= 2 Vpeak /21/2 图1 单

4、端式(Single-end)放大器 因此：桥接式输出功率 = 2 (Vpeak)2/Rload= 4 单端式放大器输出功率 图2 桥接式放大器与作用于喇叭正负端的波形 输入与输出耦合电容值的选择 如图1，输入电阻与输入耦合电容形成一个高通滤波器，如欲得到较低的频率响应，那么需选择较大的电容值，关系可用以下公示表示。 fC = 1/2 (RI)(CI) fC：高通滤波截止频率，RI：输入电阻 CI：输入耦合电容值，此电容用来阻隔直流电压并且将输入信号耦合至放大器的输入端。 在移动通信系统中，由于体积的限制，即使使用较大的输入耦合电容值，扬声器通常也无法显示出50Hz以下的频率响应。因此，假设输入

5、电阻为20K ，只需输入耦合电容值大于0.19 F即可。在此状况下，0.22 F 是最适中选择。 就输出耦合电容值的设定而言，同图1中，如欲得到较佳的频率响应，电容值亦需选择较大的容值，关系可用以下公式表示： fC=1/2(RL)(CO) fC：高通滤波截止频率，RL：喇叭(耳机)的电阻，CO：输出耦合电容值 例如，当使用32 的耳机，如希望得到50Hz 的频率响应时，那么需选择99 F的输出耦合电容值。在此状况下，100 F是最适中选择。 散热(Thermal)考虑 在设计单端式(Single-end)放大器或是桥接式(BTL)放大器时，功率消耗是主要考虑因素之一，增加输出功率至负载，内部功

6、率消耗亦跟着增加。 桥接式(BTL)放大器的功率消耗可用以下公式表示: PDMAX_BTL= 4(VDD)2/(2 2RL) VDD：加于桥接式(BTL)放大器的电源电压，RL ：负载电阻 例如，当VDD=5V，RL=8 时，桥接式放大器的功率消耗为634mW。如负载电阻改成32 时，其内部功率消耗降低至158mW。 而单端式(Single-end)放大器的功率消耗可用以下公式表示： PDMAX_SE= (VDD)2/(2 2RL) VDD：加于单端式(Single-end)放大器的电源电压，RL：负载电阻，亦即单端式放大器的功率消耗仅为桥接式放大器的四分之一。所有的功率消耗加起来除以IC的热

7、阻( JA)即是温升。 布线(Layout) 考虑 设计人员在布线上，有一些根本方针必须加以遵守，例如 1所有信号线尽可能单点接地。 2为防止两信号互相干扰，应防止平行走线，而以90 跨过方式布线。 3数字电源，接地应和模拟电源分开。 4高速数字信号走线应远离模拟信号走线，也不可置于模拟元件下方。 3D增强立体声的应用 大局部人认为，“3D音效既不是单声道，也不是双声道，它是一种音频的处理技术，使聆听者在非实际的环境下，感觉到发出声音的地点，这就必须非常讲究扬声器(喇叭)的放置位置与数目。但是在手机与个人数字助理中，无法放置如此多的扬声器，因此开展出以两个扬声器加上运用硬件或软件的方式来模拟“

8、3D音效，就是所谓的“3D增强立体声音效(3D Enhancement) 。 图3为3D增强立体声的音频次系统方块图，用于立体声手机或个人数字助理中，此音频次系统由以下几个部份组成： 1后级放大器局部，包括一个立体声扬声器(喇叭)驱动器，一个立体声耳机驱动器，一个单声道耳机放大器 (earpiece)和一个用于免提听筒的线路输出 (line out) (例如汽车的免提听筒输出)。 2音量控制，可提供分为 32 级的音量控制，而且左、右及单声道的音量均可独立控制。 3混音器，用来选择输出与输入音源的关系，可将立体声及单声道输入传送并混合在一起，将这些输入分为 16 个不同的输出模式，使系统设计工

9、程师能够灵活传送混合单声道及立体声音频信号，不会限定信号只能传送给立体声扬声器或立体声耳机。 4电源控制与“开关/切换嘈音 抑制电路。 53D增强立体声使用的是硬件的方式。 6使用I2C 兼容接口加以控制芯片的功能。 声音在不同位置传至左右耳朵时，会产生不同相位差。利用此相位差原理和硬件方法，便可以仿真出3D增强立体声音效。即使系统在体积或设备上受到限制，而必需将左右喇叭摆放得很近时，仍然可以改善立体声各个上下声部的定位的种种问题。 图3 3D增强立体声音频子系统方块图 如图3的3D增强立体声方块图所示，一个外接电阻与电容电路用以控制3D增强立体声音效，用两个独立的电阻与电容电路来控制立体声扬

10、声器与立体声耳机，如此可到达最正确的3D增强立体声效果。 在此电阻与电容电路中，3D增强立体声效果的“量是由R3D电阻来设定的，并且成反比关系，C3D电容用以设定3D增强立体声效果的3dB低频截止频率，在低频截止频率以上才能显现出3D增强立体声效果，增加C3D电容值将降低低频截止频率，其关系可用以下公式表示： f3D(-3dB)=1/2 (R3D)(C3D) 结论 由于移动与个人数字助理已开展为能够提供各种不同娱乐的多功能便携式设备，厂商们尽量采用高保真的音频系统及寿命较长的电池，并使此类便携式电子产品具备立体声喇叭放大器，多种不同的混音，以及3D增强立体声等功能，同时在外型上也尽量轻薄小巧。

11、但其设计范畴仍不脱离以上所述根本原理，这就是本文所要表达的另一目的。 本文将为读者分析单端、典型桥接负载和全差动式音讯放大器，同时探讨杂讯对于电源供应和射频整流的影响。 行动、PDA和其它可携式通讯设备常处于严苛吵杂的环境，这个现象促使许多厂商开场开展新的音讯功率放大器，它们都採用射频、共模和电源供应拒斥比良好的全差动式架构。本文将深入分析单端、典型桥接负载和全差动式音讯放大器，同时探讨杂讯对于电源供应和射频整流的影响。这个产业所使用的音讯功率放大器架构可分成三大类：单端、典型桥接负载和全差动式放大器。单端音讯功率放大器通常是所有架构中最简单的一种，但行动却较少利用它们为和弦铃声或免持听筒模式

12、等应用推动喇叭；一般说来，单端放大器是用来推动耳机，让使用者得以聆听MP3音乐或游戏音效，如(图一)。在典型的单电源、单端电路设计中，放大器的输出端需要耦合电容来隔离直流偏压，防止直流电流进入负载。然而输出耦合电容和负载阻抗却会形成高通滤波器，其频率由以下的方程式所决定：(公式一)(图一)单端放大器就效能观点而言，此设计的主要缺点在于负载阻抗通常很小，此处是介于4和8喇叭之间，这将使得低频角频率FC变得更高。要让低频讯号进入喇叭，COUT就必须使用很大的电容，例如在喇叭阻抗为8的情形下，如果COUT的电容值为68F，那么频率小于292Hz的任何讯号都会被衰减。想要免除单端放大器的输出电容COU

13、T，就需要使用别离式电源供应，但这种解决方案并不适合无线环境，因为手机设计人员必需增加一个直流转换器来提供负电源，使得解决方案的本钱和体积都会增加。除此之外，单端放大器在导通、截止、进入关机模式和脱离关机模式时都很容易产生爆裂音，这些不必要杂讯的产生是因为喇叭两端出现电压变动电压脉冲，它与此电压脉冲的上升时间、下降时间和宽度有关。多数人只能听到20Hz至20kHz之间的声音，因此当脉冲宽度小于50s时，耳朵就不会对它有任何反响，因为此时频率将会高于20kHz，所以不会有爆裂音；如果脉冲的升起时间超过50ms，就表示其频率小于20Hz，于是耳朵也听不到爆裂音。要产生人们熟悉的爆裂音，脉冲宽度必须

14、大于50s，脉冲的升起时间那么要小于50ms。由于单端放大器必须立即截止导通才会产生脉冲，因此放大器的电压上升速率必须超过50ms才能防止爆裂音出现，但这个速度对于大多数的智慧型手机应用来说实在太慢了。使用单端电源供应时，输出直流阻隔电容所储存的电荷也会造成爆裂音。当放大器的输出改变时，该电压加上电容器原有电压会出现在喇叭两端，使其发出所谓的爆裂音。最后，在讨论音讯放大器时，提供至负载的功率也是一项重要考量。假设使用单电源的单端放大器，喇叭的一端就会透过输出电容连接至放大器的输出端，另一端那么会接地，于是喇叭两端的电压就只能在VDD和地电位之间改变。根据下面这个公式，可以计算放大器送至负载的功

15、率值：(公式二)峰至峰输出电压的最大值那么是电源供应电压。假设输出为正弦波，那么均方根值输出电压的最大值就是：(公式三)理论上的最大输出功率那么为：(公式四)后面文中将证明在同样的电源供应和负载阻抗条件下，桥式负载和全差动式放大器的输出功率可以到达单端放大器的四倍。今日的行动和可携式通讯装置都使用同样类型的音讯放大器架构：单端输入和桥式负载输出(图二)。桥式负载放大器是由两个单端放大器组成，分别推动负载的一端，第一个放大器A会决定增益值，第二个放大器B那么是做为单位增益反相器。这种桥式负载放大器的增益是由下式定义：(公式五)受到单位增益反相放大器B的影响，放大器的增益值会加倍。传送至负载的功率

16、是这种差动式驱动电路设计的主要优点之一，利用差动方式来推动喇叭，那么每当一端的电压下降时，另一端的电压就会上升，反之亦然；相较于负载一端接地的方式，差动设计的特性实际上会让负载的电压摆幅加倍。由于负载两端的电压摆幅会加倍，因此输出功率方程式就变成：(公式六)于是桥式负载在理论上的最大输出功率就变成：(公式七)相较于使用单电源的单端音讯功率放大器，喇叭两端电压加倍后，就算电源电压和负载阻抗都保持一样，输出功率也会增加四倍。旁路电容CBYPASS是另一项需要考虑的因素，该电容是电路中最重要的元件，因为它会承担多项重要功能。首先，放大器的电压上升速率就是由旁路电容决定，假设放大器的电压上升速率缓慢，

17、爆裂音的产生就会减少。旁路电容和负责产生电源中点电压的高阻抗电阻分压器电路会形成一个RC时间常数，而如前所述，只要这个时间常数大于50ms，使用者就不会听到爆裂音。旁路电容的第二个功能是减少电源供应所产生的杂讯，这个杂讯是由耦合进来的输出驱动讯号所产生，该讯号那么来自于放大器内部的电源中点电压产生电路。这个杂讯会造成电源供应拒斥比的下降，例如在电源供应充满了杂讯的系统中，它会影响系统的总谐波失真与杂讯值THDN。相较于单端音讯放大器，这类架构的优点是它在一样电源供应下所能提供的输出功率；除此之外，它也不再需要输出直流阻隔电容，因为喇叭两端的VDD/2偏压就能将直流偏压抵消。现在，低频效能只会受

18、到输入电路和喇叭响应能力的限制。然而这类电路也有明显缺点，例如杂讯耦合至单端输入后，就会被放大器放大并出现在输出端，其倍数相当于放大器的增益值。由于放大器B并没有回授至输入端，耦合至输出端的任何高频杂讯也会造成喀嚓声和嗡声，这种效果称为射频整流。(图二)单端输入和桥式负载输出架构全差动式放大器许多行动、PDA、智慧型手机和新型无线装置现已採用一种新型的音讯功率放大器架构，它是如(图三)所示的全差动式音讯放大器。全差动式放大器的增益值定义如下 (公式八)全差动式放大器採用差动输入和差动输出。这些功率放大器包含差动和共模回授电路，差动回授确保放大器提供差动电压输出，其值等于差动输入乘上增益值。回授

19、电路那么是由外部增益值设定电阻来担任。共模回授确保无论输入端的共模电压为何，输出端的共模电压都会偏压至VDD/2。这个回授电路已内建至元件中，它会利用分压器和电容来产生稳定的电源中点电压；输出电压会被偏压至VDD/2，确保一个输出不会在另一个输出之前被截波。但凡桥式负载放大器胜过单端放大器的优点，全差动式放大器也都具备，但它另有三项重要优势胜过典型的桥式负载放大器。首先，它不再需要输入耦合电容，因为使用全差动式放大器后，输入端就能偏压至电源中点以外的其它电压，所使用的放大器那么须拥有良好的共模拒斥比CMRR。但假设输入偏压超出了输入共模范围，就应该使用输入耦合电容。其次，中点电压的供应电源也不

20、再需要旁路电容CBYPASS，因为中点电压的任何改变都会等量影响正通道和负通道，并且在差动输出端相互抵消。拿掉旁路电容会使得电源拒斥比稍为下降，但由于它能省下一颗外部零件，设计人员或许仍愿承受这个略为降低的电源拒斥比。全差动式放大器的最后一项主要优点是它提供更强大的射频杂讯抵抗能力，这主要归功于它拥有很高的共模拒斥比，并且採用全差动式架构。要得知负载输出功率，我们可以使用类似于桥式负载放大器的计算方式，因为它也是全差动式放大器。记住当喇叭一端的电压下降时，另一端就会上升，反之亦然；同样的，相较于负载一端接地的方式，这种设计会让负载的电压摆幅加倍。桥式负载在理论上的最大输出功率为：(公式九)和桥

21、式负载放大器的情形一样，在同样的电源电压和负载阻抗下，喇叭两端电压加倍会使得输出功率增加四倍。相较于前面介绍的各种放大器，这种架构的最大优点在于它的抗杂讯能力。音讯功率放大器的三大杂讯来源是：电源供应杂讯输入端耦合杂讯输出端耦合杂讯(图三)全差动式音讯放大器电压供应的变动通常会在放大器输出端造成很小的误差电压，电源供应拒斥比就是放大器抵抗这些效应的能力，它通常是以分贝值来表示。根据标准的电源供应拒斥比方程式，其输出电压可计算如下：(公式十)例如假设电源供应电压改变500mV，差动输出电压的变化值就等于22V。在TDMA和GSM行动中，电压供应杂讯的主要来源是射频电路在导通和截止之间的切换动作。

22、GSM手机是以217Hz的速率进展切换，当射频功率放大器导通时，它会从电源供应汲取很大的电流，这将使得电源供应的电压突降，其幅度最高可达500mV。电源拒斥比很差的音讯放大器会在喇叭造成高于217Hz的谐波喀嚓杂讯。为了瞭解在217Hz切换速率下，电源供应电压下降500mV所可能造成冲击，因此分别测试三颗全差动式音讯功率放大器，它们是3.1W的AB类放大器、1.25W的AB类放大器以及2.5W的D类放大器，前两者的测试结果显示，由于全差动式放大器的电源拒斥比很高，供应电压的变动几乎不会对输出讯号造成任何影响，因此它不会在喇叭造成217Hz的谐波喀嚓声。对于耦合至单端放大器输入端的杂讯，主要问题

23、是它会被放大，其倍数等于放大器的闭迴路增益，然后出现在放大器的输出端。除了在放大器前端对输入讯号滤波之外，这类放大器几乎没有任何的杂讯抵抗能力。相形之下，全差动式放大器却有非常良好的杂讯拒斥能力，这种放大器只会放大两个输入端之间的讯号差异部份，因此耦合至差动输入端的任何共模干扰讯号在实际上都会被放大器所忽略。瞭解这个输入耦合杂讯抵抗能力的最正确方式就是看它的共模拒斥比：(公式十一)以1.25W的全差动式AB类放大器为例，可说明共模拒斥比方何影响放大器的交流杂讯抵抗能力。首先，根据前述共模拒斥比方程式即可得到输出电压如下：(公式十二)在20Hz至20kHz范围内的共模拒斥比为74dB，增益那么为1V/V。假设耦合至输入端的共模杂讯在每个输入接脚都是100mV，那么利用上式即可得到转移至输出端的杂讯值如下：(公式十三)根据此方程式，差动放大器的输出端会出现20V的涟波，但对于单端输入放大器，结果却是100mV再乘上放大器的闭迴路增益。採用桥式负载输出电路时，喇叭最常出现的杂讯是射频功率放大器在217Hz速率下的开关动作，通常这些开关动作听起来像是喀嚓声或嗡嗡声。要瞭解桥式负载放大器为什么无法抵抗耦合至其输出端的杂讯，请参考(图