数字音频功率放大芯片型号与特点介绍

关于数字音频功率放大芯片型号与特点介绍第一页，共五十页，2022年，8月28日声音基础知识声音是由振动产生的。物体振动停止，发声也停止。外界传来的声音引起鼓膜振动经听小骨及其他组织传给听觉神经，听觉神经再把信号传给大脑，这样人就听到了声音。人耳能感受到（听觉）的频率范围约为20Hz~20kHz，称此频率范围内的声音为可听声(audiblesound)或音频(audio)人们日常生活听到的各种声音信息是典型的连续信号，它不仅在时间上连续，而且在幅度上也连续，我们称之为模拟音频。在数字音频技术产生之前，我们只能用磁带或胶木唱片来存储模拟音频，随着技术的发展，声音信号逐渐过渡到了数字化存储阶段，可以用计算机等设备将它们存储起来。对于计算机来说，处理和存储的只可以是二进制数，所以在使用计算机处理和存储声音信号之前，我们必须使用模数转换（A/D）技术将模拟音频转化为二进制数，这样模拟音频就转化为数字音频了。第二页，共五十页，2022年，8月28日功率放大器简介功率放大器（英文名称：poweramplifier），简称“功放”，俗称“扩音机”，是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。工作原理利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍，β是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流（或电压）是原先的β倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。第三页，共五十页，2022年，8月28日功率放大器的分类功率放大器通常按照其功率开关管的工作方式分为线性功率放大和非线性功率放大两类。线性功率放大器即为传统的模拟放大器，常分为A类、B类、AB类三种，其主要特点是保真度高，但是效率很低。非线形放大器又称为D类放大器(开关放大器)，其功率开关管工作于开关状态，具有很高的效率。下面将对这两类功率放大器分别进行介绍第四页，共五十页，2022年，8月28日A类放大器在一个完整的信号周期中，A类放大器的功率晶体管一直处于线性放大状态，即导通角θ=180°(在一个信号周期内，导通角度的一半定义为导通角)。A类放大器的偏置电流IQ大于输入电流,Q点(静态偏置点)处于负载线的中心，所有输出器件在输入信号的整个周期内均有电流流过，使其处于良好的线性工作状态。这种放大电路，由于不会产生开关失真和交越失真，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的角度来看，它是一种优质的线性放大电路，其声音表现相当不错。由于较小的非线性失真，使得A类功率放大器一般都用在较高档次的音响系统中。A类放大器的原理图如图所示。第五页，共五十页，2022年，8月28日第六页，共五十页，2022年，8月28日从上图中可以看出，工作在A类放大状态的功率放大器，电源始终不断地输送功率，在没有信号输入时，这些功率全部消耗在电路器件上，并将其转换为热量的形式耗散出去；当有信号输入时，其中一部分转换为有用的输出功率，信号越大，输送给负载的功率越多。A类放大器具有最大工作效率为25％。实际效率大约为15-20％；由于A类放大器效率较低，在实际应用中，尤其是当功率放大的输出管的发热量很大时，为确保安全和可靠，对它的稳定性和电路的具体设计等提出了更高的要求，一般不采用A类放大器。第七页，共五十页，2022年，8月28日B类放大器B类放大器是一种互补式输出结构，两个晶体管不能同时工作，每个晶体管工作半个周期，导通角θ=90°，其电路结构如图所示。第八页，共五十页，2022年，8月28日B类音频放大器的理论最大效率是78．5％，B类放大器的最大工作效率大于A类放大器。B类功率放大器的静态工作电流选在接近零点处，当有激励信号输入时，其输出功率管仅有一臂导通而另一臂截止，如此往返地工作，使得输出与输入有着相近的信号波形。可见，与A类功率放大器相比，B类在无信号输入时发热量是很小的，此时散热器是不会发热或仅有一点温升，同时功率转换效率也比较高，最高能达到78．5％。B类放大器最大的缺点是存在较大的交越失真，这是由于当一个晶体管截止而另一个晶体管导通时需要过渡时间的缘故。第九页，共五十页，2022年，8月28日AB类放大器AB类放大器的工作模式介于A类与B类之间，其偏置电流远小于峰值电流。晶体管工作时间大于半个周期但小于一个周期，即导通角90°<0<180°。大部分时间只有一个晶体管工作，在零交越点时，两个晶体管都工作。AB类放大器的最大优点是改善了B类放大器的非线性，消除了交越失真。其电路结构如图所示。第十页，共五十页，2022年，8月28日如图所示，AB类放大器通过两个偏置电压来避免交越失真。由于这一优点，AB类放大器在传统的音频放大器中得到了广泛应用。当输入信号为零时，由于此时两个晶体管仍然处于导通状态，因此每一个晶体管的功率损耗均大于B类放大器，即AB类放大器的最大工作效率小于B类放大器，但大于A类放大器。AB类音频放大器的理论效率75％，实际效率在50%-70％之间。第十一页，共五十页，2022年，8月28日数字(D类)功率放大器传统数字(D类)功率放大器数字功放也称为D类放大器(ClassDamplifier)是一种脉冲调制型放大器，它与传统模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态。D类放大器的功放管使用快速开关器件，如PowerMosfet。它工作在开关状态，导通时理论内阻为零，两端没有电压，也就没有功率消耗；而截止时，内阻为无穷大，电流为零，也不消耗功率。所以电源的利用率非常高，理论为100％，实际产品也能达到90％以上。如此高的耗电利用率一方面可大幅减少散热器体积，另一方面可以延长如MP3播放器等便携式设备的电池一次充电使用时间，所以可以用体积更小、更轻便的电池提供能量。D类放大器已开始取代传统的模拟高保真放大器，在移动及便携设备中尤其如此。第十二页，共五十页，2022年，8月28日传统基本的D类放大器的结构如图所示。第十三页，共五十页，2022年，8月28日模拟输入信号通过一个比较器与三角波(或者锯齿波)进行比较，比较器的输出就是PWM信号。它被用来控制高速功率开关，使得PWM信号在更高电平上重建，并能为负载(扬声器)提供更大电流。该PWM信号在经过一个无源模拟低通滤波器以后，会滤除高频载波成分，在扬声器上重现原来的模拟输入信号。第十四页，共五十页，2022年，8月28日随着数字技术的发展，音频功率放大器领域中越来越多的是针对数字音源进行放大，如CD、DVD(常采用PCM编码)等。因此，D类放大器所面临的挑战就是直接将数字信号转换为PWM信号。若仍采用传统的D类放大器结构，必须引入高精度的数模转换(D／A转换)器，先将数字音源转换成模拟音频信号，然后才能对其进行放大，其实现结构如图2．8所示。第十五页，共五十页，2022年，8月28日另外，传统D类放大器结构采用PWM调制，其开关频率固定(即三角载波频率)。在进行D类放大器设计时，为了减小输出信号的失真，通常要求很高的三角载波频率。提高开关频率的方法和信号处理原理中的缩短系统采样时间相类似，它可以减少输出波形的失真度并得到更高精度的输出波形。然而随着开关频率的提高，将会带来以下两个主要问题：1、开关损耗将随着开关频率的增加而增加。2、产生严重的电磁干扰现象(EMI)。然而，当输入信号的频率较低时，不需要太高的开关频率即可获得较低失真度的输出放大信号。而此时若仍采用传统PWM调制方式，开关频率将因为固定而不能跟随输入信号的频率进行调节，从而间接降低放大器的工作效率。第十六页，共五十页，2022年，8月28日基于数字信号处理的数字功率放大器为了解决传统D类放大器中存在的上述问题，我们引入数字信号处理技术，直接将输入的数字音源转换为PWM信号，并借助数字信号处理技术，极大的减少音频信号中的噪声，从而进一步降低对输出滤波器的设计要求，甚至可省去输出低通滤波器环节，其结构如图2-9所示。第十七页，共五十页，2022年，8月28日从图2-9可知，基于数字PWM的功率放大器的主要特点是直接对数字音源进行放大，其中数字信号处理器的功能是将数字音源调制为PWM开关信号，以此控制桥式放大电路中功率开关管的通断，桥式放大电路输出的放大的PWM信号再通过一个低通滤波器后就可在扬声器中还原输入音频信号D类放大器的输出功率与喇叭阻抗是近似成反比的关系第十八页，共五十页，2022年，8月28日普通D类放大器都需要输出低通滤波器，以滤去脉宽调制的脉冲，如果不加滤波器，会引起静态电流的增大，和EMI的增大无滤波器D类放大器采用了不同的调制技术可以避免静态电流的增大，还能够减小EMITI最早在2001年提出了无滤波器技术的专利龙鼎微电子公司在2007年申请了新的无滤波器专利，并成功地推出了PAM8803三瓦D类功放无滤波器D类放大器第十九页，共五十页，2022年，8月28日D类放大器的失真主要考虑非线性失真或总谐波失真THD＋N其产生是由于：采样时的脉宽误差和量化误差驱动管的死区和延时功放管的导通时间和二极管恢复输出滤波电感和电容的非线性第二十页，共五十页，2022年，8月28日D类放大器的应用第二十一页，共五十页，2022年，8月28日数字音频功率放大芯片简介1995年成立于美国加州的SanJose的TripathTechnologylnc．是一家研究数字功放技术较早和很具实力的公司，1998年，它发明了一种称作DDPTM(DigitalPowerProcessingTM)数字功率处理技术，取名为“T"类数字功放。基于此项技术开发出的专用数字功放处理芯片供第三方生产放大器和其他音响使用。Tripath公司已经拥有500W甚至上千w的数字放大器评估模块供第三方生产放大器和其它音响、电视产品之用。例如，SONY、APPLE、SHARP、MARANTZ、BelCantoDesign、AudioSource等都把它用到自己的高质量音响产品中去。另外，美国TI公司、NS、ST、PHILIPS、YAMAHA等公司也纷纷推出自主设计的数字音频功放芯片。如NS的LM系列，ST的STA系列，PHILIPS的TDA系列，YAMAHA的YDA系列等第二十二页，共五十页，2022年，8月28日NS4158NS4158是一款带防失真功能，超低EMI，无需滤波器，5W高效率的单声道数字音频功放。独特的防失真功能可以通过检测输出信号的失真，动态调整系统增益，不仅有效防止过载输出对喇叭的损坏，同时带来舒适的听觉感受。实际应用可以通过软件或者硬件设置放大器工作在防失真模式和普通模式。软件是通过一线脉冲控制，硬件是通过电平控制。应用非常灵活。NS4158采用先进的技术，在全带宽范围内极大地降低了EMI干扰，最大限度地减少对其他部件的影响。其输出无需滤波器的PWM调制结构及反馈电阻内置方式减少了外部元件、PCB面积和系统成本。NS4158在5V的工作电压时，能够向2Ω负载提供5W的输出功率。NS4158内置过流保护、过热保护及欠压保护功能，有效地保护芯片在异常工作状况下不被损坏。并且利用扩频技术充分优化全新电路设计,高达90%以上的效率更加适合低电压，高功率输出的音频系统。第二十三页，共五十页，2022年，8月28日防失真功能，软件或者硬件设置工作模式输出功率：3.0W(4Ω负载),3.8W(3Ω负载),5.0W(2Ω负载)工作电压范围：2.5V～5.5V0.1%THD+N（2.0W输出功率、5V电源、2Ω负载）优异的全带宽EMI抑制能力优异的“上电，掉电”噪声抑制高达90%的效率高PSRR(电源抑制比)：-80dB（217Hz）过流保护、过热保护、欠压保护应用领域USB2.1音响、插卡2.1音响、移动2.1音响、对箱，普通插卡音响主要特性第二十四页，共五十页，2022年，8月28日NS4158封装管脚分配图第二十五页，共五十页，2022年，8月28日典型应用电路第二十六页，共五十页，2022年，8月28日原理框图第二十七页，共五十页，2022年，8月28日防失真功能NS4158有防失真功能。通过CTRL引脚设置可进入防失真工作模式。放大器自动检测输出削顶失真，自动调整放大器的增益，达到防失真效果。如下图所示：第二十八页，共五十页，2022年，8月28日第二十九页，共五十页，2022年，8月28日NS4158应用参数设置增益计算NS4158增益通过外接输入电阻Ri设置，总增益计算公式为Av=360k/(10k+Ri)输入电容Ci和输入电阻Ri选择输入电容和输入电阻构成高通滤波器，截止频率为fc=1/[2π×（Ri+10k）×Ci]，在Ri已经确定下，根据截止频率fc就可以算出Ci。第三十页，共五十页，2022年，8月28日NE4158有两种工作模式：普通模式和防失真模式，通过软件和硬件都可以设置芯片工作在不同的模式。软件设置NS4158支持一线脉冲通过CTRL管脚控制NS4158进入不同的工作模式。第一个上升沿工作在普通模式。第二个上升沿工作在防失真模式。CTRL管脚拉低并且保持100us以上芯片进入关机（SHUTDOWN）模式。芯片进入关机（SHUTDOWN）模式以后。如要重新进入这两种模式的其中一种必须重新设置。示意图如下：工作模式设置第三十一页，共五十页，2022年，8月28日加在CTRL管脚的一线脉冲高电平宽度（THI）要求1us<THI<12us。低电平宽度（TLO）要求1us<TLO<12us。进入SHUTDOWN模式低电平保持时间（TOFF）要求TOFF>100us。时序图如下：另外，假如CTRL管脚电平稳定在之间。芯片工作于防失真模式。第三十二页，共五十页，2022年，8月28日硬件设置NS4158也支持硬件设置工作模式。通过CTRL管脚电平设置使NS4158进入不同工作模式。CTRL引脚电压在0.4VDD-VDD之间，NS4158工作在普通模式；CTRL引脚电压在之间，NS4158工作在防失真模式；CTRL引脚电压在0.2V以下，NS4158进入SHUTDOWN模式。如下图所示：假如VDD=5.0V,R1=0Ω时，CTRL引脚电平为VDD=5.0V。芯片工作在普通模式；R1=20k时，CTRL引脚电平为1/3VDD=1.7V。芯片工作在防失真模式；CTRL引脚电平<0.2V时，芯片工作在关机（SHUTDOWN）模式。第三十三页，共五十页，2022年，8月28日磁珠与电容NS4158采用先进技术实现了超低EMI良好特性。要充分发挥NS4158功放的性能。应用时从以下几个方面可以最大限度降低EMI干扰：1.功放输出到喇叭的走线，连线尽量短，尽量宽，而且输出布线，连线尽可能远离敏感信号线和电路。2.功放电源脚的退耦电容尽可能靠近芯片引脚。电源线，地线最好采用星形接法。3.由于空间限制等原因应用环境比较恶劣时在输出端加磁珠和电容可以有效抑制EMI干扰。使用时磁珠和电容尽可能靠近芯片引脚。以下是NS4158输出端加了磁珠和电容之后的应用设计参考电路：第三十四页，共五十页，2022年，8月28日PAM8403（立体声）PAM8403是一颗输出功率为3瓦特的D类音频功率放大器IC，它具有谐波失真低，噪声串扰小的特点使其对声音的重放得到较好的音质。采用新型无耦合输出及无低通滤波电路之架构,使其可直接驱动喇叭降低了整个方案成本及PCB空间的占用。在相同的外围元器件个数下，D类功放ICPAM8403比甲类功放的效率要好得多，这样就延长了电池的续航力，是携便式设备（如笔记本电脑等）的理想选择。第三十五页，共五十页，2022年，8月28日特点无滤波器的D类放大器，低静态电流和低EMI；在4Ω负载和5V电源条件下，提供高达3W输出功率；高达90%效率；低THD，低噪声；短路电流保护；热保护；极少外部元器件，节省空间和成本；无铅封装。应用：LCD电视机、监视器；笔记本电脑；便携式扬声器、便携式DVD播放机、手机/免提电话第三十六页，共五十页，2022年，8月28日引脚定义第三十七页，共五十页，2022年，8月28日典型应用电路图第三十八页，共五十页，2022年，8月28日原理框图第三十九页，共五十页，2022年，8月28日使用注意事项1.当PAM8403工作在无滤波器时，必须先接通扬声器再接通电源，否则容易对芯片造成损坏。2.当PAM8403工作在无滤波器时，最好在连接到扬声器的引出线口套上一个铁氧所磁环，以减少可能的电磁干扰。3.芯片的极限工作电压为5.5V，最大工作电压为5.0V。在电池工作时，应当注意如果采用4节新的普通干电池或碱性电池时，其电压有可能会超过6V，从而造成对芯片的损坏。所以最好采用4节充电电池，或是3节碱电池，其总电压不超过5.5V。4.由于芯片中的数字音量控制具有很大的增益，所以在增大其音量时要注意不要让输入信号过大而使信号产生切割限幅，甚至还可能使芯片损坏。5.在测试时，如果无滤波器工作，采用纯电阻代替扬声器，所得到的测试结果会比采用扬声器作为负载时的结果差。包括THD的结果，效率测试的结果等第四十页，共五十页，2022年，8月28日应用信息最大增益MaximumGain如原理框图所示，PAM8403内部有两级放大器，第一级增益由输入电阻Ri（芯片外部与芯片内部之和）和反馈电阻Rf决定，第二级增益固定为1.4x，另外，PAM8403为BTL输出结构功率放大器，其增益为单端输出功放的2倍。因此PAM8403总的增益为：AVD=20*log[2*(Rf/Ri)*1.4]PAM8403的反馈电阻Rf=85KΩ,而输入电阻Ri=15KΩ,所以最大闭环增益是24dB。第四十一页，共五十页，2022年，8月28日静音工作模式MuteOperation/MUTE引脚是PAM8403控制输出级的一个输入端，在这个引脚上加一个逻辑低电平关闭输出，输入一个逻辑高电平开启输出。这个引脚可作为输出端的快速关闭/启动，而不需要慢慢减低音量。因为内部的上拉电阻，/MUTE引脚可以悬空。关断工作模式Shutdownoperation为了减少不使用的功率消耗，PAM8403包含关闭电路来关闭放大器的偏压电路。当/SHDN引脚加低电平时，器件处于判断模式，电源电流将会减至最小。因为内部上拉电阻，/SHDN引脚可以悬空。第四十二页，共五十页，2022年，8月28日输入电容（Ci）InputCapacitor(Ci)对于便携式设计，大输入电容既昂贵又占用空间。因此需要恰当的输入耦合电容。但在许多便携式应用扬声器的例子中，无论内部还是外部，很少可以重现低于100Hz至150Hz的信号。因此，使用一个大的输入电容不会增加系统性能。输入电容（Ci）和输入电阻（Ri）组成一个高通滤波器，切断频率为：第四十