为便携式电子设备设计D类音频放大器

2009年09月18日 08:09    贾延安
关键词: 便携式 , 电子 , 放大器 , 设备 , 音频
本帖最后由 老郭 于 2009-9-22 08:52 编辑

作者:张扬 ADI便携式音频产品线低功耗D类产品市场经理 刘钢 ADI公司应用工程师   时间:2009-09-08  来源:电子产品世界   

  不同含义的效率

  D类音频放大器最具吸引力的特性是高效率。音频放大器的效率有多种含义不同的效率,传统定义是输出电功率与总输入功率之比。对于音频放大器,转换为可听声音的电功率与总输入功率之比需要最大,这引出了另一个含义的效率。请注意这两个效率定义之间的差别:

  A.总电气效率=输出功率/输入功率;
  B. 可听声音电气效率=可听声音电气输出功率/输入功率。

  音频电气效率总是低于总电气效率,D类音频放大器尤其如此。

  下面是一些提高可听声音电气效率的常用方法:

  一、不要使用低于扬声器响应频率范围的信号来驱动扬声器。例如,大多数手机使用的小尺寸扬声器不能有效地响应低于400Hz的信号,而音频信号源可能输出低至30Hz的频率分量。用低于该频率的信号驱动这些扬声器,不仅会浪费电能和降低可听声音电气效率,而且还会因为将扬声器驱动到线性位移范围之外而增大扬声器非线性产生的失真。由于大多数音频信号源发出的最低信号频率低于400Hz,因此需在音频放大器前面放置高通滤波器。可利用输入耦合电容和放大器的固定输入阻抗简单地形成高通滤波器来加以实现。该滤波器的截止频率可设置为扬声器低端截止频率的几分之一。

  二、不要使用高于扬声器高端截止频率的信号来驱动扬声器。对于手机中使用的典型小尺寸扬声器,这个频率在4KHz到10KHz之间,而有些音频信号源的信号最高频率可高达20kHz。以高于这个频率的信号驱动这些扬声器不仅会浪费电能和降低可听声音电气效率,而且也使音频信号的波峰因数(峰值/RMS值)很高,增大了输出信号被输出级截断以致增加失真的可能性。为了防止信号源的高端信号频率高于扬声器的高端截止频率,可在信号源和音频放大器输入之间插入低通滤波器,它可以是简单的RC滤波器。将低通滤波器放在输出级之后效果不好,由于信号的波峰因数高,信号可能在到达低通滤波器之前已被输出级截断。

  三、尽量减小扬声器中的开关频率电流。依赖于D类放大器使用的调制方案,扬声器两端的差分电压在开关频率下变化幅度很大。应选择具有“无滤波”调制方案且开关频率足够高的放大器,否则,需在放大器输出端用外部电感滤掉开关频率分量。8Ω手机扬声器的典型固有电感在10μH到15μH之间,当开关频率为1MHz时,15μH电感与8Ω直流电阻的总阻抗为94.6Ω。SSM2301/2302/2304/2306系列产品使用Σ-Δ脉冲密度调制(PDM),开关频率为1.8MHz。这种调制方案在扬声器两端产生的开关频率电压较低,而高开关频率使扬声器能利用固有电感有效地阻断开关信号,因而这些器件无需使用外部电感就可把扬声器中的开关频率电流保持在低水平。

  将电磁干扰降至最低

1.jpg


  D类音频放大器的工作原理决定它需要使用开关型输出级,而这种输出级会发射出很强的电磁干扰。参见图1中的原理图,插入电感或铁氧体磁珠和使用电容进行旁路的措施可把电磁干扰降到低于一定水平进而通过标准的EMI测试。下面是选择电感和铁氧体磁珠的一些基本准则:

  一、 使用额定电流高和开放式磁回路磁芯电感,以避免电感器饱和非线性所产生的失真。屏蔽型电感的饱和曲线常常很“硬”。
  与相同额定电流的电感相比,铁氧体磁珠尺寸较小但造成的失真较大。

  二、 调制方案对输出电磁干扰会产生重大影响。ADI公司的SSM2301/2302/2304所使用的Σ-Δ脉冲密度调制可使电磁干扰均匀地散播出去,更易于通过EMI测试。

  PCB(印制电路板)布局对降低电磁干扰有非常重要的作用。一个关键措施是让电源和输出去耦电容器彼此靠近,这样就可以将它们的地线端子直接焊在一起,参见图2给出的PCB布局,它是基于图1的原理图实现的。

2.jpg


  另外请注意,所有连接到扬声器端子的PCB走线始于去耦电容焊盘而不是铁氧体磁珠焊盘,否则,电磁干扰无法降到最低限度。对于Vdd轨,我们对C6使用了同样的技术。放大器的引脚5和8节点发射的电磁干扰最大,这些节点的物理连接尺寸应尽可能地小,同时不要在这些节点上布局长的PCB走线。

  尽量减少失真和噪声

  下面是一些实现低失真的技术:

  1、对于要求失真极低的系统,如THD+N(总谐波失真+噪声)←65dB,应在输出端加电感而不是加铁氧体磁珠,因为后者具有较高的非线性。
  2、采用额定电压为25V到50V甚至更高、使用X7R材料制造的高压多层陶瓷电容器作为输入耦合电容(图1中的C1和C2)。同额定电压高的电容器相比,低压电容器的电容值随偏置电压变化的幅度更大。
  3、将负的输入节点连接到信号源(如音频数模转换器或编码解码器)的地线,而不要简单地把它连接到自己的接地点上。这种连接方式可最大限度地降低共模噪声。
  4、避免将音频信号源器件放在远离放大器的地方,避免对输入节点使用长PCB走线。如果迫不得已,将输入节点线对平行布线:一条走线放在板的正面,另一条放在反面。这种方式可最大限度地降低回路所接收到的电磁干扰。
  5、避免将高频(>1MHz)电磁干扰引入到输入端口,否则,整流效应可能把高频电磁干扰转换成可听噪声。图3显示了这种整流效应。

3.jpg


  其它需关注的问题

  消除喀哒声和噼啪声:在开机或关机时,关断引脚的切换可使放大器启动或停止,如果放大器IC的设计不合适,扬声器在此时会发出某种“喀哒”声或“劈啪”声。前者由窄脉冲产生,而后者由缓慢衰减的阶跃函数产生。通常,D类音频放大器IC(如SSM2301/2302/2304/2306)具备消除“喀哒”声和“噼啪”声的功能。在产品投入量产之前应全面测试这些功能。

  如果放大器一直与电池相连,关断电流可能是另一个需要关注的问题。在选择放大器IC时,注意留意这个参数。

  PSRR(电源抑制比):对于手机应用,这个指标特别重要,但它常常通过IC设计来实现,在系统层面做不了什么。

  收听效果

  音频系统设计的最终目标获得良好的收听效果,它对系统设计是否成功拥有最终决定权。实现这一目标需要声学设计和电子设计的完美结合。在不久的将来,便携式电子音频放大器可能会结合一些可均衡频率响应、降低失真和优化收听效果的智能或自动化方法。

  参考文献:

  [1]王莹.音频放大器发展趋势[J].电子产品世界,2009(4):11
  [2]SSM2301: Filterless high efficiency mono 1.4W Class-D audio amplifier[R/OL]. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/SSM2301.pdf
  [3] Katz D, Gentile R, Lukasiak T.嵌入式音频处理基础(一)[J].电子产品世界,2008(8):121~124
  [4] Katz D, Gentile R, Lukasiak T.嵌入式音频处理基础(二)[J].电子产品世界,2008(9):123-127
  [5] Katz D, Gentile R, Lukasiak T.嵌入式音频处理基础(三)[J].电子产品世界,2008(11):124-127
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