艾为音频功放简介

AWINICMUSIC-PA艾为音频功放简介------产品部王东将2011.07.24AWINICMUSIC-PA功放分类这里主要以静态工作点为标准对功放进行分类¾A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，功率的理论昀大值仅有25％¾B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AWINICMUSIC-PA功放分类¾AB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。¾D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¾K类功放特点：集成了内部自举升压电路+各种功放电路，包括D类功放内部自举升压电路+D类功放：效率高内部自举升压电路+AB类功放：音质好AWINICMUSIC-PAAB类、D类放大器比较¾效率，功率峰值因数9峰值因数定义：峰值功率和平均的有效值功率的比例。对于语音信号，峰值因素大约为8dB。对于音乐信号，峰值因素在15－16dB左右正弦波的峰值功率和有效值功率之比为3dBF=10logpkavgPPAWINICMUSIC-PAAB类、D类放大器比较¾效率，功率峰值因数最大功率输出时，D类高出AB类大约15%，播放音乐时，大多数时间是处于中低功率的情况，D类功放效率明显，如下页所示AWINICMUSIC-PAAB类、D类放大器比较¾效率，功率峰值因数效率（%）音频信号源峰值因素（dB）平均输出功率（W）AB类D类正弦波316590语音信号90.253585音乐信号150.0631575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AWINICMUSIC-PAAB类、D类放大器比较¾应用场合9节能、省电追求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9EMI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选。9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。9AB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。AWINICMUSIC-PA功放相关参数介绍¾输出功率9音乐功率：指输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率9峰值功率：指在不失真条件下，将功放音量调至最大时，功放所能输出的最大音乐功率9额定输出功率：当谐波失真度为10%时的平均输出功率。也称做最大有用功率。AWINICMUSIC-PA功放相关参数介绍¾输出功率对于音频信号，一般用正弦波作为输入信号，功放输出亦为正弦波，其幅度为输入正弦波幅度乘以相应的放大倍数（假设音频输出未发生削顶失真）假设功放输出正弦波为，其功率有效值为()sinfAϕϕ=()2222222000sin11sin222TrmsAAVAPdtddTRRRRππϕϕϕϕππ⎛⎞⎜⎟⎝⎠====∫∫∫故未发生削顶失真的正弦波有效峰值电压为2rmsAV=当功放输出发生削顶失真后，假设其峰值电压仍为，则由于此时信号输出的积分量大于未发生削顶失真时正弦波的积分量，即其有效输出功率将增大，则其有效值将大于A2AAWINICMUSIC-PA功放相关参数介绍¾输出功率功放大多采用全差分的BTL结构，其比半桥OTL结构的突出优点除了省掉输出隔直电容外，对于同样的输入信号和放大倍数（单边），其输出信号幅度以为SE结构的2倍，,,2ppBTLpSEVV−=对于采用全差分结构的功放，2ppRMSVV−=产品手册里描述的指在特定条件下的输出功率。THD=1%,f=1KHz，RL=8ohm，VDD=4.2？WTHD=10%,f=1KHz，RL=8ohm，VDD=4.2？WTHD=1%,f=1KHz，RL=4ohm，VDD=4.2？WPo输出功率THD=10%,f=1KHz，RL=4ohm，VDD=4.2？WAWINICMUSIC-PA功放相关参数介绍¾THD(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：221THD=nNnnVV==∑V1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。AWINICMUSIC-PA功放相关参数介绍¾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20loginputoutputRipplePSRRRipple=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ripple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ripple大小，最后通过AP的AB通道之间的crosstalk函数计算得到PSRRAWINICMUSIC-PA功放相关参数介绍¾截止频率此类功放应用中（包含全差分输入），其输入电容和输入电阻组成高通滤波器，其高通截止频率为12ZININfRCπ=高通极点设置须和喇叭F0配合设定，若喇叭F0比较低，可设定FZ小一些，获得更好的低频效果；若喇叭F0比较高，则可适当增大FZCase1：AWINICMUSIC-PA功放相关参数介绍¾截止频率Case2：双单端输入（信号相加）对任一输入信号而言（input1和input2），增益和截止频率可单独设置，电阻Rp和电容Cp需合理设置来实现阻抗匹配。,111ppIVGainV−=,222ppIVGainV−=,1,2ppppppVVV−−−=+11112ZIIfRCπ=22212ZIIfRCπ=12pIICCC=+1212IIpIIRRRRR=+AWINICMUSIC-PA功放相关参数介绍¾截止频率Case3：AB类+K类其中AB类输入高通截止频率可以通过上述公式计算。对于K类功放，若在芯片输入端跨接一电容Cp，则器件C1,R1,Rin，Cp组成带通滤波器，其中111112222ininHinppinRRRRfRCCRRππ++==⋅⋅⋅低通截止频率高通截止频率1112()LinfRRCπ=⋅+AWINICMUSIC-PA功放相关参数介绍¾POPingBTL、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。无输出耦合电容(OCL)结构SE结构BTL结构功放相关参数介绍¾POPing一般解决的原则就是让音频电路最后开启9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。9集成了一个固定的延时电路单元9启动时间=充电时间+延迟时间功放相关参数介绍¾POPing9应用中合理控制时序注：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；AWINICMUSIC-PA功放相关参数介绍¾D类功放相关的EMIEMC：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。EMI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AWINICMUSIC-PAEMI来源：覆盖频段1MHz～1GHz¾250KHz～1.5MHz高频开关信号¾纳秒级边沿切换，过冲振荡频段范围FM87MHz～108MHz模拟电视48MHz～865MHzCMM