音频 放大器简介及分类

功率放大器(简称功放)的作用是给音响放大器的负载RL(扬声器)提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能地小，效率尽可能高。音频放大器已经有快要一个世纪的历史了，最早的电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。然而直到现在为止，它还在不断地更新、发展、前进。主要因为人类的听觉是各种感觉中的相当重要的一种，也是最基本的一种。为了满足它的需要，有关的音频放大器就要不断地加以改进。应用领域TV，音箱，笔记本电脑和PDA,便携式电子等等

1音频放大器简介功放分类

这里主要以静态工作点为标准对功放进行分类A类放大器特点：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。优点：工作在特性曲线的线性范围内，瞬态失真和交替失真较小缺点：效率低，功率的理论最大值仅有25％B类放大器特点：放大器的静态点在(VCC、0)处，即截至点处，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，Q2导通Q1截止，输出端负半周正弦波，所以必须用两管推挽工作。优点：效率较高(78%)，缺点：因放大器有一段工作在非线性区域内，交越失真较大AB类放大器特点：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。效率较高，晶体管功耗较小。2D类(数字音频功率)放大器特点：将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号，然后用PWM或PDM的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。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.优点：1：效率高，通常能够达到85%以上2：发热少，功耗低，电池使用寿命长3：体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间4：低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试缺点：存在EMI电磁干扰3功放分类AB类、D类放大器比较4效率，功率峰值因数以2瓦峰值功率为例AB类:12％的输入功率变成有效音频功率输出，近88％变成热量耗散了。D类放大器:75％输入功率都变成了有效的音频输出功率，只有25％的输入功率变成热量耗散了。故具有较大功率输出D类也不需要采用散热器AB类、D类放大器比较

应用场合

音乐手机此类中高档多媒体手机，除了通话和铃声之外，更多是MP3音乐、影音片段和数字电视等，非线性的D类音频放大器所具有的效率高、发热少、功耗低、电池使用寿命长等优点使之成为此类应用中最合适的方案。EMI干扰、芯片价格

D类存在EMI电磁干扰，可能会对手机RF部分或者天线部分产生干扰，降低手机的灵敏度，导致手机无法正常工作，且与AB类相比，没有明显的价格优势，AB类音频放大器成为主流的中低档手机的首。噪声、音频性能

AB类较D类产品，突出的是音频性能、THD+N(总谐波失真加噪声)等方面。音频耳机功放对效率和功率的要求不高，或者Hi-Fi（高保真）耳机放大器对失真率有较高的要求，如今在耳机放大器的设计中AB类仍是唯一的选择。

5AB类、D类放大器比较AB类、D类的共存与折中在未来手机设计中，AB类不可能被D类完全取代，两者将共存。折中方案：自由切换AB类和D类这两种工作模式。在没有射频发射/传输的时候，运行D类模式；在射频发射/传输的时候，运行AB类模式，充分利用D类和AB类的优点，弥补各自缺点。6功放相关参数THD+NPSRRPOPingD类功放相关的EMI额定功率音调控制特性频率响应输入灵敏度噪声电压整机效率7功放相关参数介绍THD(总谐波失真)谐波失真是由于系统不是完全线性造成的。功放工作时，由于电路不可避免的振荡或其他谐振产生的二次，三次谐波与实际输入信号叠加，在输出端输出的信号就不单纯是与输入信号完全相同的成分，而是包括了谐波成分的信号。总谐波失真与频率有关，必须在20Hz-20KHz的全音频范围内测出。谐波失真用总谐波失真百分比（THD）来度量。这个度量包括整个频带中各次谐波的功率之和，可以用下述方程定义：8V1为基波分量的幅值Vn为感兴趣的谐波分量的幅值。总谐波失真的数值越小，音色就更加纯净。这个指标是在一定的工作电压、一定的负载电阻RL、一定的输入频率FIN（一般常用1KHZ）、一定的输出功率Po下进行测试。若改变了其中的条件，其THD+N值是不同的。功放相关参数介绍电源抑制比（PSRR,PowerSupplyRejectionRatio）把电源的输入与输出看作独立的信号源，输入与输出的纹波比值即是PSRR，通常用对数形式表示，单位是dB.定义如下：

9在我们的芯片测试中，实际上测得的是Ksvr，测试方法是利用AP产生200mVpp的纹波信号，通过330uF电容耦合到AW208C电源端，DC电源通过20ohm电阻到电源端。测试时，利用AP的通道A测试芯片输出的AC值，利用B通道测试到达功放电源端的纹波大小，最后通过AP的AB通道之间的crosstalk函数计算得到PSRR功放相关参数介绍POPingBTL、SE、OCL结构POPing抑制能力

桥式模式能有效抑制共模噪声。输出功率相同时，桥式模式的噪声明显小于单端模式的噪声。这是因为相同的冲击会同时出现在桥式输出结构的“＋”、“－”两端，并通过负载后相互抵消，不对扬声器做功，因而不会发出“POP”声。这种结构对于上电、掉电噪声以及操作噪声都有很好的抑制作用。无输出耦合电容(OCL)结构与桥式结构非常类似，在输出端将直流共模电压抵消掉，只有交流信号对负载作功。与桥式结构一样，OCL结构由于省去了耦合电容。10功放相关参数介绍POPing

一般解决的原则就是让音频电路最后开启

增大VBIAS的滤波电容音频集成电路通常都有一个管脚叫做Vbias，或者Vref、Vmid、Vsvr、bypass等，它是内部直流基准电压，若要内部电路能工作，这个偏置电压必须建立起来。实际应用时，该管脚通常外接一个旁路电解电容到地，该电容起滤除噪声的作用。对于使用正电压的单电源系统来说，当系统工作稳定时，基准电压值约等于Vdd/2。增大这个电容的容值能抑制“POP”噪声。当芯片上电或从待机状态切换到工作状态时，直流偏置电压开始建立，从0逐渐升高，并对Vbias滤波电容充电。经过一定时间后，电压上升到Vdd/2，此时芯片就可以工作了，输出的音频信号基于这个直流电压上下摆动。同样，当芯片掉电或进入待机状态时，滤波电容放电，偏置电压开始下降，从Vdd/2下降到0。

集成了一个固定的延时电路单元

启动时间=充电时间+延迟时间11功放相关参数介绍POPing应用中合理控制时序12注：开启时，由于我们功放有32ms的启动延时，因此功放与音源同时开启也是可以接受的；关断时，为完全避免pop音，功放最好是提前于音源就进行关断操作；功放相关参数介绍D类功放相关的EMI

EMC：电磁兼容性国际电工委员会标准IEC对电磁兼容的定义是：系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰。EMC包括两个方面的要求：（1）设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；（2）器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性

EMC包括EMI(interference)和EMS(susceptibility),即电磁干扰和电磁抗干扰EMI，电磁干扰度：描述一产品对其他产品的电磁辐射干扰程度，是否会影响其周围环境或同一电气环境内的其它电子或电气产品的正常工作EMS，电磁抗干扰度：描述一电子或电气产品是否会受其周围环境或同一电气环境内其它电子或电气产品的干扰而影响其自身的正常工作13功放相关参数介绍D类功放相关的EMIEMI又包括传导干扰CE（conductionemission）和辐射干扰RE(radiationemission)以及谐波harmonic。EMS又包括静电抗干扰ESD，射频抗扰度EFT，电快速瞬变脉冲群抗扰度，浪涌抗扰度，电压暂降抗扰度.

EMI来源：覆盖频段1MHz～1GHz250KHz～1.5MHz高频开关信号

纳秒级边沿切换，过冲振荡14功放相关参数介绍D类功放相关的EMI

D类功放由于调制器采用固定频率载波，产生基载波的多次载波辐射，且PWM信号自身的开关特性，过冲/下冲和振铃产生固定频率的高频辐射EMI。EMI抑制措施：1：扩展频谱调制技术，在更大的带宽内扩展开关PWM信号的频谱能量。而不改变原始音频内容。2：改变PWM开关信号的边沿速率。信号以载波频率为中心，任何一个边缘都不是按周期重复，不仅维持了固定载波频率，边沿也不是以固定比率跳变，载波频率上的能量辐射得到极大降低。3：使用LC滤波器或磁珠滤波器以过滤高频谐波。中高功率由于EMI太强用LC滤波器，而小功率用磁珠处理即可。4：PCBlayout及器件摆放位置。D类到扬声器线路不能太长，否则类似于一天线。15音响放大器主要技术指标及测试方法额定功率

音响放大器输出失真度小于某一数值(如<5%)时的最大功率称为额定功率。其表达式为:PO=VO^2/RL式中，RL为额定负载阻抗；Vo(有效值)为RL两端的最大不失真电压。Vo常用来选定电源电压VCC.

测量Po的条件如下：信号发生器的输出信号(音响放大器的输入信号)的频率fi=1kHz，电压Vi=5mV，音调控制器的两个电位器RP1、RP2置于中间位置，音量控制电位器置于最大值，用双踪示波器观测vi及vo的波形，失真度测量仪监测vo的波形失真.注意在最大输出电压测量完成后应迅速减小Vi，否则会因测量时间太久而损坏功率放大器。

测量Po的步骤是：功率放大器的输出端接额定负载电阻RL(代替扬声器)，逐渐增大输入电压Vi，直到vo的波形刚好不出现削波失真(或<3%)，此时对应的输出电压为最大输出电压，由式(3-7-22)即可算出额定功率Po。

16音响放大器主要技术指标及测试方法音调控制特性

输入信号vi(=100mV)从音调控制级输入端的耦合电容加入，输出信号v0从输出端的耦合电容引出。先测1kHz处的电压增益Av0(Av0=0dB)，再分别测低频特性和高频特性。同样，测高频特性是将RP2的滑臂分别置于最左端和最右端，频率从1kHz至50kHz变化，记下对应的电压增益。最后绘制音调控制特性曲线，并标注与fL1、fx、fL2、f0(1kHz)、fH1、fHx、fH2等频率对应的电压增益。

172023/2/6音响放大器主要技术指标及测试方法频率响应

放大器的电压增益相对于中音频fo(1kHz)的电压增益下降3dB时对应低音频截止频率fL和高音频截止频率fH，称fL~fH为放大器的频率响应。测量条件同上，调节RP3使输出电压约为最大输出电压的50%。测量步骤是：