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便携式音频功率放大器设计

2011年06月29日 09:47 次阅读

便携式系统都需要一个音频功率放大器用来驱动小的扬声器,输出功率1W~2W,用来驱动扬声器(RL=8/4ohm),同时提供50mW~100mW的功率用来驱动耳机(RL=32/16ohm)。在此情况下,BCD开发了自己的便携式系统中,音频功率放大器产品。
 

  一、 单端(SE)输出 vs. 桥式(BTL)输出

  输出结构常见的有两种,SE(Single-ended)模式与BTL(Bridge-TIed-Load)模式,见下图-1。

单端模式与桥式模式
图-1  单端模式与桥式模式

 

 


   在便携式系统中,常见的直流电源电压,(+1.8V,+2.5V,+3.3V)通常不会超过+5.0V,如果是单端结构,输出的峰-峰值电压Vp-p最大只有5.0V,实际上由于输出级上、下管子的饱和压降,在没有被削波的前提下,Vp-p最大只有4.5V左右,这样有效值 公式= 公式=1.59V,全部加到RL=4ohm的负载,输出功率公式 =0.63W。所以单端结构,无法输出2W功率。

  如果是BTL输出结构,Vp-p则可以达到8.0V,有效值 公式= 便携式系统音频功率放大器解决方案图示=2.828V,加到RL=4ohm的负载,输出功率 公式=2.0W。

  因此要在VCC=5.0V条件下输出2W左右的功率,只能采用桥式输出结构。所以单端结构常用来驱动耳机,而BTL结构常用来驱动音箱。见下图-2 AA4002典型应用原理图。

AA4002典型应用图
图-2  AA4002典型应用图


  从上图中,看到在驱动耳机时,还需要有一个较大的电解电容,它的作用是,
  ① 隔断直流基准电压Vbias(1/2VCC)。如果没有隔直,直流电压会直接流过后面的扬声器线圈,使纸盆平衡位置偏向一端,Vbias过大甚至损坏线圈。
  ② 耦合交流的音频信号,它与扬声器负载构成了一阶高通滤波网络,见图-1。由经典公式(1)可知,电容值的大小影响低频处的截止频率fc有关。

公式公式(1)


  电容Co越大,截止频率fc越低,意味着更低的频率可以耦合到负载,见图-3。

不同耦合电容下的频响

点击看原图

 


  图-3  不同耦合电容下的频响(RL=16ohm)


  BTL结构则不需要耦合电容,节约系统成本,节省PCB空间,改善低频响应。

  不仅如此,BTL结构输出,它能有效地抑制共模噪声。在相同的输出功率条件下,桥式模式的噪声明显小于单端模式下的噪声,见下图-4对比,通道1(蓝色)--负载两端,通道2(绿色)--电源。这是因为相同的冲击会同时出现在桥式输出结构的‘+’、‘-’两端,通过负载后,会相互抵消,不对扬声器做功,听不到”POP”声,这种结构对于上电、掉电噪声,操作噪声都有很好的抑制。

桥式模式输出的

单端模式输出的
图-4  桥式模式与单端模式输出的”POP”噪声

      
  实际上,讲输出功率是多少,通常需要指定条件,比如电源电压[VCC],输出负载[RL],谐波失真[THD+N]。只有这些条件确定之后,输出功率才有意义。在产品规格书中,通常会提供以下图表,输出功率 vs.电源电压,见图-5,输出功率vs.负载,图-6,以及输出功率vs.谐波失真+噪声,图-7。

AA4002 Po vs. Supply voltage with different THD+N
图-5  AA4002 Po vs. Supply voltage with different THD+N

 

AA4002 Output Power vs. Load Resistor
图-6  AA4002 Output Power vs. Load Resistor

 

AA4002 THD+N vs. Output Power
图-7  AA4002 THD+N vs. Output Power


   二、 低音增强

  对于小功率的音箱,由于尺寸的限制,它们的低频响应通常都很差,而人耳又偏偏对于低频的音乐反映不敏感。有必要在电子线路上想办法,解决这一问题。低音增强,它的实现方法是在反馈回路中,通过增加电容,来实现低频部分的增益大于通带内的增益,相当于环路系统中增加了一个极点,一个零点,在AA4002的典型应用电路图中,电容C2、C11就是这样的电容,见图-2。

  那么它的理想传递函数,公式公式(x)
           
  极点, 公式

  零点, 公式

  假设R1=R2=R3=20K,C2=0.068uF,则可以计算出fZERO=234Hz,fPOLE=117Hz,波特图如下。这个幅度与相位只是对于低音增强这一段,如果是BTL输出,则增益还会增加一倍(6dB),如果信号从PIN10/12脚输入,经过两级反相,则输出端、输入端的相位差接近0DEG,具体可以参考AA4002 Design tools。

结论:便携式音频功率放大器设计达到了预期的目标,在此基础上可以设计自己想要的便携式产品。

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