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便攜式系統音頻功率放大器解決方案
摘要: 對于日益增長的便攜式系統,比如Portable-DVD,PMP,LCDMonitor以及Notebook等,都需要一個音頻功率放大器用來驅動小的揚聲器,這種放大器的輸出功率1W~2W,用來驅動揚聲器(RL=8/4ohm),同時提供50mW~100mW的功率用來驅動耳機(RL=32/16ohm)。在此情況下,BCD開發了自己的便攜式系統中,音頻功率放大器產品。
Abstract:
Key words :

對于日益增長的便攜式系統" title="便攜式系統">便攜式系統,比如Portable-DVD,PMP,LCD Monitor以及Notebook等,都需要一個音頻功率放大器用來驅動小的揚聲器,這種放大器的輸出功率1W~2W,用來驅動揚聲器(RL=8/4ohm),同時提供50mW~100mW的功率用來驅動耳機(RL=32/16ohm)。在此情況下,BCD開發了自己的便攜式系統中,音頻功率放大器產品。
 

  一、 單端" title="單端">單端(SE)輸出 vs. 橋式(BTL)輸出

  輸出結構常見的有兩種,SE(Single-ended)模式與BTL(Bridge-Tied-Load)模式,見下圖-1。

單端模式與橋式模式


圖-1  單端模式與橋式模式


   在便攜式系統中,常見的直流電源電壓,(+1.8V,+2.5V,+3.3V)通常不會超過+5.0V,如果是單端結構,輸出的峰-峰值電壓Vp-p最大只有5.0V,實際上由于輸出級上、下管子的飽和壓降,在沒有被削波的前提下,Vp-p最大只有4.5V左右,這樣有效值 公式= 公式=1.59V,全部加到RL=4ohm的負載,輸出功率公式 =0.63W。所以單端結構,無法輸出2W功率。

  如果是BTL輸出結構,Vp-p則可以達到8.0V,有效值 公式= 8.0/2.828=2.828V,加到RL=4ohm的負載,輸出功率 公式=2.0W。

  因此要在VCC=5.0V條件下輸出2W左右的功率,只能采用橋式輸出結構。所以單端結構常用來驅動耳機,而BTL結構常用來驅動音箱。見下圖-2 AA4002典型應用原理圖。

AA4002典型應用圖


圖-2  AA4002典型應用圖


  從上圖中,看到在驅動耳機時,還需要有一個較大的電解電容,它的作用是,
 ?、?nbsp;隔斷直流基準電壓Vbias(1/2VCC)。如果沒有隔直,直流電壓會直接流過后面的揚聲器線圈,使紙盆平衡位置偏向一端,Vbias過大甚至損壞線圈。
 ?、?nbsp;耦合交流的音頻信號,它與揚聲器負載構成了一階高通濾波網絡,見圖-1。由經典公式(1)可知,電容值的大小影響低頻處的截止頻率" title="截止頻率">截止頻率fc有關。
 

公式公式(1)


  電容Co越大,截止頻率fc越低,意味著更低的頻率可以耦合到負載,見圖-3。

不同<a class=耦合電容" title="耦合電容">耦合電容下的頻響" border="0" height="213" hspace="0" onclick="return show_orginral(this)" src="http://files.chinaaet.com/images/20110211/9e6f7a2b-565f-425b-a290-e6876b1fd382.jpg" style="width: 500px; cursor: pointer; letter-spacing: normal" title="點擊看大圖" />

 


  圖-3  不同耦合電容下的頻響(RL=16ohm)


  BTL結構則不需要耦合電容,節約系統成本,節省PCB空間,改善低頻響應。

  不僅如此,BTL結構輸出,它能有效地抑制共模噪聲。在相同的輸出功率條件下,橋式模式的噪聲明顯小于單端模式下的噪聲,見下圖-4對比,通道1(藍色)--負載兩端,通道2(綠色)--電源。這是因為相同的沖擊會同時出現在橋式輸出結構的‘+’、‘-’兩端,通過負載后,會相互抵消,不對揚聲器做功,聽不到”POP”聲,這種結構對于上電、掉電噪聲,操作噪聲都有很好的抑制。

橋式模式輸出的

單端模式輸出的
圖-4  橋式模式與單端模式輸出的”POP”噪聲

      
  實際上,講輸出功率是多少,通常需要指定條件,比如電源電壓[VCC],輸出負載[RL],諧波失真[THD+N]。只有這些條件確定之后,輸出功率才有意義。在產品規格書中,通常會提供以下圖表,輸出功率 vs.電源電壓,見圖-5,輸出功率vs.負載,圖-6,以及輸出功率vs.諧波失真+噪聲,圖-7。

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

 

AA4002 Output Power vs. Load Resistor
 

                                                                                         圖-6  AA4002 Output Power vs. Load Resistor

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


   二、 低音增強

  對于小功率的音箱,由于尺寸的限制,它們的低頻響應通常都很差,而人耳又偏偏對于低頻的音樂反映不敏感。有必要在電子線路上想辦法,解決這一問題。低音增強,它的實現方法是在反饋回路中,通過增加電容,來實現低頻部分的增益大于通帶內的增益,相當于環路系統中增加了一個極點,一個零點,在AA4002的典型應用電路圖中,電容C2、C11就是這樣的電容,見圖-2。
 

  那么它的理想傳遞函數,公式公式(x)
           
  極點, 公式

  零點, 公式

  假設R1=R2=R3=20K,C2=0.068uF,則可以計算出fZERO=234Hz,fPOLE=117Hz,波特圖如下。這個幅度與相位只是對于低音增強這一段,如果是BTL輸出,則增益還會增加一倍(6dB),如果信號從PIN10/12腳輸入,經過兩級反相,則輸出端、輸入端的相位差接近0DEG,具體可以參考AA4002 Design tools。

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