音频放大器(Audio power amplifier)在手机中的应用做一下简单的分析。

一、音频放大器分类

 传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：1、数字语音数据到模拟语音信号的变换(利用高精度数模转换器DAC)实现；2利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。

 1、A类放大器

 A类放大器的主要特点是：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。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25％，且有较大的非线性失真。 由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用。

2、B类放大器

 B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)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(如图虚线部分所示)，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是"交越失真"较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时， Q1 Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

3、AB类放大器

AB类放大器的主要特点是：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。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。 当信号在-0.6V

4、D类放大器

D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲亮度调制)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。具有效率高的突出优点.数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.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.D类放大或数字式放大器。系利用极 高频率的转换开关电路来放大音频信号的。

 1.具有很高的效率，通常能够达到85%以上。

 2.体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。

 3.无裂噪声接通

 4.低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。

 如图4所示，PDM信号与PWM信号相比，没有固定的工作频率，其将输入的音频信号调制成一组脉冲宽度相同但是频率不同的PDM信号，有效的改善了PWM带来的EMI问题。目前市场上产品还不是很多。

  PWM(Pulse Width Modulation)/ 中A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好。外围元器件少优点。AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。

二、 音频放大器重要参数

1.电源纹波抑制比(PSRR)电源纹波抑制比(power supply rejection rate)是音频放大器的输入测量电源电压的偏差偶合到一个模拟电路的输出信号的比值。PSRR反映了音频功率放大器对电源的纹波要求，PSRR值越大越好，音频放大器输出音质就越好。性能比较">  

 2.总谐波失真加噪声(ＴＨＤ＋Ｎ) 总谐波失真(total harmonic distortion)是指一个模拟电路处理信号后，在一个特定频率范围内所引入的总失真量。噪声(noise)是指通常不需要的信号。有时是由于由于热或者其它物理条件产生的在线路板上的其它电气行为(干扰)。从ＴＨＤ＋Ｎ的定义中不难看出总谐波失真和噪声越小越好。

3.信噪比(SNR) 通常指一个模拟信号中有用信号和噪声之间的比值。

4.增益(AO) 对音频功率放大器来说增益通常指放大器输出功率和输入功率之间的比值。增益越大说明放大器的效率越高。

 5.最大输出功率(POCM)输出功率反映了一个音频功率放大器的负载能力，通常音频放大器厂家会提供产品的在工作电压一定条件和额定负载下的的最大输出功率。  

6.关断电流(Shutdown current)和输出偏移电压(Output Offset Voltage)。

关断电流越小，说明在待机条件下的放大器功耗小。输出偏移电压小有利于电池寿命的延长。

三、手机常用音频放大器介绍

简单介绍目前手机设计中音频放大器有AB类放大器也有D类，主要的生产厂家有美国国家半导体公司(NS)、美国德州仪器(TI)、意法半导体公司(ST)、美国安森美公司(ONSEMI)。他们代表性的产品及其性能比较如表1和表2所示。其中NCP2890和NCP2809为美国安森美公司产品，LM4890和LM4911为美国国家半导体公司产品，TS4890为意法半导体公司产品，TPA6203A1为美国德州仪器的产品，MAX4410为美信公司产品(MAXIM)。

下面以ONSEMI公司产品为例介绍一下音频功率放大器在手机中的应用，电路图如图5、6所示。

NCP2890在工作电压5V时能够给8欧姆负载持续提供1W的最大输出功率，而在工作电压2.6V时能够给4欧姆负载提供320 mW 的输出功率。如图5所示NCP2890能够提供高质量的音质，芯片自身带的逻辑关断设计模式，使电路设计中芯片的周围器件少和自身功耗小。在NCP2890内部专门设计了消噪声电路，消除了功率放大器在开启和关闭过程中会产生人耳可听到的噪声。开机时，逻辑高电平加到开关控制端，旁路电容上的直流电压值开始按指数规律增加，当电压值达到共模电压值(Ｖｐ／２)时，开始输出功率(此过程大约50ms)；而关机时，控制端接低电平，负载被连接到接地端，输出功率为零，此时电路的直流静态电流小于100nA。尽管NCP2890内部含有过流和过热保护电路，但是在使用时，一定要注意供电电源电压不能超过其极限值，以免造成芯片损坏。  

 NCP4894是ONSEMI公司专门为移动设备设计的一款全微分音频功率放大器。NCP4894 做为一款优秀的音频功率放大器能够提供高质量的声音，尤其用在手机设计中优点尤为突出。NCP4894的总谐波失真加噪声(THD + N)比小于0.01% 。在工作电压5V，负载8欧姆时它的输出最大功率为1W，在工作电压2.6V时,输出功率为250mW.

NCP2890和NCP4894以及NCP4896，都可用在手机设计中，他们的小封装形式可以提高PCB的利用率。

   四、手机设计中音频放大器选用的几点建议

采用了全差分输入及输出的音频功率放大器，提高电源抑制比。 尽量采用效率高，功耗低，内部升温小的设计，这样可以延长电池和芯片的使用寿命。在有限带宽设计时，建议使用D类放大器。 音频放大器在使用时一定要注意供电电源电压不能超过其极限值，以免造成芯片损坏。

如图1所示，NCP2820内部由三部分组成：预放大、采样及脉宽调制和H型功率输出部分。

　TPA3001D1结构图（见图1）有助于解释PWM信号是如何形成的。首先，模拟输入D 类采用前置放大器获得输入音频信号，并确保差动信号。随后，积分器级 (integrator stage) 可低通过滤音频信号以实现抗失真与稳定性。音频信号而后与三角波相比较，以创建脉宽调制 (PWM)信号。门驱动电路系统采用 PWM 驱动输出FET，其将在输出端创建高电流PWM信号。

 

图1：TPA3001D1结构图

　　图2显示了典型的PWM信号是如何从图1中的比较器功能块形成的。可将音频输入与250-kHz的三角波相比较。当音频输入电压大于250-kHz三角波电压时，非反相比较器输出状态为高，而当250-kHz三角波大于音频信号时，非反相比较器输出状态为低。非反相比较器输出为高时，反相比较器输出为低；而当非反相比较器输出为低时，反相比较器输出为高。平均 PWM非反相输出电压VOUT+(avg) 为忙闲度乘以电源电压，此外D表示忙闲度，或"开启"时间t(on) 除以总周期 T。

　　VOUT+(avg) = D * Vcc (1)

　　D = t(on) / T (2)

　　反相输出的忙闲度VOUT- 与VOUT+为1。如输入只有一半，则VOUT- 与VOUT+1的忙闲度为0.5。

　　VOUT-(avg) = (1-D) * Vcc (3)

图2：比较器的输入与典型D 类放大器的PWM输出

　　TPA3001D1与TPA3002D2均采用 TPA2005D1中无过滤器的调制方案。利用这种调制方案，正输出VOUT+ 与典型D 类PWM 相同，但负输出VOUT- 并不完全与 VOUT+ 相反。在这种情况下，就有两个比较器，并且正积分器输出与三角波相比较可创建 VOUT+ 的 PWM，而积分器的负输出则与三角波相比较则可创建VOUT- 的 PWM。图3显示了用于无过滤器调制方案的比较器输入与PWM输出，这里我们假定音频信号为dc电压，因为音频信号的频率比250 kHz的三角波低很多。图3还显示了差动输出电压。

图3：TPA3001D1 与 TPA3002D2 输入输出与PWM

　　图4显示了带有20 kHz 音频输入信号的TPA3001D1 PWM输出。请注意忙闲度是怎样随输入电压增加而增加的。

图4：显示输入信号、输出前过滤器以及输出后过滤器的（正弦波与PWM）作用域图示

　　PWM波形中的音频信号在频域中要容易发现得多。PWM信号由输入频率、开关频率以及开关频率加边频带的谐波构成。图5显示了振幅对输入的频率、PWM输出以及经过滤的输出。图5还显示了音频信号如何从PWM中通过低通过滤提取出来。已过滤的输出具备1 kHz正弦波频率组件，任何作为失真出现于音频带中的1 kHz谐波，以及任何从开关频率中遗留的纹波电压。扬声器不能复制开关频率及其谐波，即便扬声器可以复制，耳朵也听不到。如果将经过滤与未过滤的PWM信号都直接发送给扬声器的话，听者不会发现图5中二者间的差别。

图5：显示输入信号、输出前过滤器以及输出后过滤器的幅度与频率相位

D 类放大器的效率如何？如何计算效率？

　　线性放大器可为所需的输出电压提供定量的电流。在桥接式负载 (BTL) AB 类放大器中，电源电流与输出电流相等。D类放大器是一套采样系统，可在给定周期向负载提供定量功率。D 类放大器输出脉宽调制 (PWM) 信号，并使用去藕电容器与输出过滤电感器 (filter inductor) 或扬声器电感（对于无过滤器调制而言）作为能量存储元素，从而能从电源向负载提供定量的功率。PWM信号在电源轨之间进行输出电压切换，从而在输出晶体管上实现极低的压降。与此相对，AB 类输出 FET 将大多数时间花在电源轨的活动区域，从而导致大量的功耗并进而使效率低下。

　　理想的D 类放大器效率为100%，因为其目的是从电源向负载提供相同量的功率。D 类放大器理想的MOSFET应为，在"开启"rDS(on) 状态的漏极到源极电阻应为零，在"关闭"-rDS(off)状态的漏极到源极电阻应为无限大。不幸的是，所有的MOSFET其rDS(on) 状态下都不为零，而rDS(off) 状态下电阻都是有限的。rDS(on) 与 rDS(off) 产生的功率损耗称作传导损耗。由rDS(on)、rDS(off) 与输出负载或扬声器 RL形成分压器。rDS(off) 的值足够大，因此在计算效率时可忽略。

　　方程式5给出了计算效率的方程式，即输出功率与供应功率之比。过滤电感器或扬声器电感（对于无过滤器调制而言）能保持高频率切换电流较低，这样此处获得的电流就是音频带中的电流。在下面部分讨论静电损耗时，我们将考虑到切换电流损耗。通过rDS(on) 的电流等于通过负载的电流，这导致输出功率与方程式5不相符，也就使传导损耗影响的效率与输出功率无关。方程式7显示了传导损耗影响的效率。

　　EffICiency = POUT / PSUP (5)

　　Efficiency (CONDUCTION) = iL^2 * RL / iL^2 * (2rDS(on) + RL) (6)

　　Efficiency (CONDUCTION) = RL / (2rDS(on) + RL) (7)

　　方程式7可用作计算rDS(on) 对效率影响的第一位近似值。对rDS(on) 为0.1 ohm而负载电阻RL为4 ohm而言，效率为95%。如果rDS(on)上升为0.3 ohm，则效率降至87%。

　　放大器的偏置电流、闸电荷 (gate charge) 以及切换电流都会消耗功率。为了计算两种或更多损耗影响下的效率，方程式5中的PSUP应就输出功率与消耗功率进行分解。

　　Efficiency = POUT / PSUP = POUT / (POUT + PD1 + PD2 + PD3 ...) (9)

　　放大器的偏流、闸电荷以及切换电流损耗可视作独立于输出功率，因为传导损耗在输出功率最大时占主导地位，可算入静电损耗 PQ。静电损耗计算方法如下：器件工作状态下无输入信号时（带有生产中将使用的过滤器与负载）的电源电流乘以电源电压。

　　PQ = IDD(q) * VCC (10)

　　为了使用效率方程式 (9)，传导损耗中的功耗必须从方程式7中得出。解方程式7与9得出传导损耗中消耗的功率 PD(CONDUCTION)。方程式12显示了结果。

　　Efficiency (CONDUCTION) = RL / (2rDS(on) + RL) = POUT / (POUT + PD(CONDUCTION)) (11)

　　PD (CONDUCTION) = POUT * 2rDS(on) / RL (12)

　　将方程式10与12中的消耗损耗插入方程式9，计算D 类效率如下：

　　Efficiency = POUT / POUT + (POUT * 2rDS(on) / RL) + PQ (13)

　　静电损耗在低输出功率电平上占主导地位，而传导损耗在高功率电平上占主导地位。

　　D 类放大器比AB 类放大器的效率高得多。更高功率意味着消耗的功率更低，这使我们采用12V的D 类放大器时不必使用散热片，而与之相当的AB 类放大器则离不开散热片。在输出功率为10W的情况下，TPA3002D2为4 ohm时消耗功率仅为3.7 W，而与其相当的AB 类放大器的功耗则高达14 W！

为什么某些D 类放大器要求过滤器，而其它的则不然？

　　无过滤器调制方案的开发大大减少乃至去除了输出过滤器的需求。无过滤器调制方案可最小化开关电流，这使我们可采用损耗很大的电感器甚至扬声器来代替LC过滤器作为存储元素，并仍然可确保放大器的高效率。

　　传统的D 类调制方案就其差动输出而言，每个输出都有180度的相位差，并从接地到电源电压VCC发生改变。因此，差动预过滤 (pre-filtered) 输出在正负VCC之间变化，而已过滤的50% 忙闲度在负载中电压为零。请注意，尽管整个负载平均电压为零（50% 的忙闲度），输出电流峰值仍很高，这会导致过滤器损耗，并增加了电源电流。传统的调制方案需要LC过滤器，这样较高的切换电流可在LC过滤器中再循环，而不会被扬声器消耗掉。

　　在无过滤器调制方案中，各输出均从接地转换至电源电压。但是，VOUT+ 与VOUT- 现在是彼此同相的，没有输入。正电压情况下，VOUT+ 的忙闲度大于50%，而VOUT-的则小于50%。负电压情况下，VOUT+ 的忙闲度小于50%，而VOUT- 的大于50%。整个负载的电压在大多数切换周期中为零，从而大大减小了过滤器和/或扬声器中的I2R损耗。较低的切换损耗使扬声器可作为存储元件，同时仍能保证放大器的高效性。

　　尽管开关频率组件没有过滤出，但扬声器在开关频率上具备高阻抗，因此扬声器损耗的功率极小。扬声器还不能复制开关频率，即便扬声器可以，人耳也听不到高于约20 kHz的频率。

　　如果从放大器到扬声器的线迹较短，类似TPA2005D1的5V无过滤器D 类音频放大器在无输出过滤器时也能使用。TPA2005D1在扬声器线长为10厘米或更短无屏蔽时即通过了FCC与CE辐射测试。无线手持终端与PDA对于无过滤器的D 类而言均是极好的应用。类似TPA3001D1和TPA3002D2的更高电压无过滤器D 类放大器要求在所有应用中均采用铁氧体磁珠过滤器 (ferrite bead filter)。

　　如果设计不采用LC过滤器应不能通过幅射标准且频率敏感电路大于1 MHz的话，那么常可采用铁氧体磁珠过滤器。对必须通过FCC和CE标准的电路而言，这是一个很好的选择，因为上述两项标准仅测试大于30 MHz 的幅射，而铁氧体磁珠过滤器在削弱大于30MHz 的频率方面比LC过滤器的表现要好。如果选择铁氧体磁珠过滤器，那么应选择高频率下阻抗高的、且低频率下阻抗低的。

　　如果存在低频率 (< 1 MHz)EMI 敏感电路和/或从放大器至扬声器的引线较长，则须采用LC输出过滤器。

结论

　　通过将输入音频波形与三角波相对比，D 类音频放大器创建了脉宽调制PWM信号。D 类放大器通过感应元件输出PWM，传统D 类采用过滤电感器，而无过滤器D 类则采用扬声器音圈。D 类放大器比AB 类放大器效率更高，因为D 类放大器从电源获得所要求的输出功率，而非从电源获得所要求的电流，也不会在输出晶体管消耗剩余的功率。立体声AB 类放大器在从12V电源、4 ohm负载输出10W功率时消耗功率达14W，而TPA3002D2在相同条件下消耗功率仅为3.7 W。TPA3001D1与TPA3002D2采用的调制方案使其可采用铁氧体磁珠过滤器，而不必采用完全的LC过滤器。