CLASS-AB類音頻功率放大器產(chǎn)品選型指南

音頻功率放大器是一個技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的領(lǐng)域，幾十年來，無論從電路技術(shù)、元器件，甚至思想認(rèn)識上都取得了長足進步。本文對目前主流的音頻功率放大器市場的現(xiàn)狀進行了分析，詳細(xì)闡述了AB類音頻功放的結(jié)構(gòu)和工作原理，并列舉了目前手機市場上主流的AB類音頻功放產(chǎn)品，希望能對工程師朋友在選擇這類產(chǎn)品時有所幫助。

音頻功率放大器市場現(xiàn)狀及分析

近年來，隨著消費類電子以及通訊娛樂產(chǎn)品市場的興起，應(yīng)用于手機、MP3、MP4等便攜式多媒體設(shè)備以及電視、家庭音響、汽車音響等設(shè)備的音頻功率放大器技術(shù)得到了長足發(fā)展，預(yù)期未來還會有廣闊的市場空間。

現(xiàn)階段音頻功放類產(chǎn)品的主流為AB類音頻功率放大器和D類音頻功率放大器兩種，它們各有優(yōu)缺點。單就手機市場而言，在中高檔多媒體手機中，非線性的D類音頻放大器是理想的解決方案，它具有效率高、發(fā)熱少、功耗低、電池使用壽命長等優(yōu)點。但D類放大器存在EMI電磁干擾的缺點，雖然各大廠商致力于改善D類技術(shù)的電磁干擾問題，但手機小型化的趨勢給降低D類音頻放大器的噪聲帶來了限制。封裝尺寸的壓縮致使音頻設(shè)計高度集成化，進而導(dǎo)致編解碼器、電源管理和揚聲器輸出功能的混合信號集成，這種集成給噪聲管理帶來了困難。當(dāng)D類音頻放大器不斷減小封裝尺寸時，需要面對更加困難的噪聲管理的挑戰(zhàn)。同時D類音頻放大器居高不下的價格也讓AB類音頻放大器繼續(xù)成為主流中低檔手機的首選。與D類產(chǎn)品相比，AB類技術(shù)在某些方面仍然具有一定優(yōu)勢，比如音頻性能好、THD+N(總諧波失真加噪聲)低、PSRR(電源抑制比)的絕對值高等。此外，AB類的應(yīng)用中沒有噼啪聲和咔嗒聲，噪聲很小，而且開啟時間和關(guān)閉時間都很短，可以實現(xiàn)節(jié)能方案。因此，在手機音頻IC市場中，呈現(xiàn)出D類和AB類平分秋色共分天下的局面，甚至在一些場合還出現(xiàn)了可以自由切換D類和AB類的模式，以迎合市場需求。

對于這兩種技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，許多廠商認(rèn)為，隨著技術(shù)的不斷完善，在未來手機音頻技術(shù)中，D類將占據(jù)主流地位，從而徹底打破D類與AB類平分秋色的局面。甚至有廠家預(yù)言，D類將最終替代AB類。從目前情況來看，這種觀點過于武斷。尤其在小功率音頻驅(qū)

圖2 鏡像電流源的基本結(jié)構(gòu)

圖1 單聲道音頻功率放大器應(yīng)用
動中，比如音頻耳機功放對效率和功率的要求不高，或者Hi-Fi耳機放大器對失真率有較高的要求，此時AB類功放的超低失真率就體現(xiàn)出其優(yōu)勢。如今在耳機放大器的設(shè)計中，AB類仍是唯一的選擇。

綜上所述，筆者認(rèn)為在未來的一段時間內(nèi)，AB類和D類功放仍將共存于音頻功放市場，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮各自的優(yōu)勢。本文僅對AB類音頻功放的一些相關(guān)電路結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)作簡單介紹，并對市場上各主要生產(chǎn)商的主流產(chǎn)品進行分析和比較。

AB類音頻功放的主要電路模塊

通用的AB類音頻功率放大器由基本的鏡像電流源模塊和輸出運算放大器模塊構(gòu)成，通常還包括基準(zhǔn)電壓模塊和過溫保護模塊等，更復(fù)雜的功率放大器還包括輸入運放、過流保護以及一些附加的功能模塊，如輸入信號選擇、音量調(diào)節(jié)、音效處理以及總線模塊，從而構(gòu)成集成多種功能的音頻子系統(tǒng)，以應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。圖1所示為一款最簡單的單聲道音頻功率放大器的應(yīng)用圖，其中包括鏡像電流源模塊和全差分運算放大器模塊兩部分。

鏡像電流源

鏡像電流源模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)電路總體結(jié)構(gòu)的要求，通常可以采用基本電流鏡或共源共柵電流鏡來實現(xiàn)電流源設(shè)計。

電流源電路特點為：輸出電流穩(wěn)定，輸出交流電阻大。其主要應(yīng)用包括：

1. 作為有源集電極負(fù)載，提高運放的單級增益；

2. 作為輸入差分放大器的射極電阻，提高集成運放的共模抑制比；

3. 用來對電路進行偏置，穩(wěn)定電路的工作點。

IC1與IR之間的關(guān)系如一面鏡子，即IC1≈IR，故稱為鏡像電流源。

鏡像電流源具有一定的溫度補償作用。因為在整體電路的設(shè)計中，鏡像電流源要提供系統(tǒng)中其他各部分工作的偏置電壓和電流，因此在進行這一模塊的設(shè)計時，要考慮到系統(tǒng)靜態(tài)電流的要求以及運算放大器工作點的選取，同時還要考慮輸出溫漂以及電源紋波對輸出的影響。

輸出運算放大器

輸出運算放大器是AB類音頻功放產(chǎn)品中最關(guān)鍵的部分，它的設(shè)計直接決定著功放產(chǎn)品關(guān)鍵性能的優(yōu)劣，包括輸出功率、靜態(tài)功耗、電源抑制比、共模抑制比、相位裕度、單位增益帶寬以及密勒補償?shù)?，這些特性都要在輸出運放的設(shè)計中予以充分考慮，并保證其達(dá)到預(yù)期的參數(shù)值。

CMOS運算放大器主要由差分跨導(dǎo)級、高增益級、輸出級、密勒補償電路及偏置電路構(gòu)成，通常采用二級放大結(jié)構(gòu)。電路結(jié)構(gòu)可以有很多種設(shè)計和選擇，如簡單的兩級運放、共源共柵運放、折疊共源共柵運放等。針對不同應(yīng)用，應(yīng)采用不同的電路結(jié)構(gòu)，并在設(shè)計中針對不同的預(yù)期參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

AB類音頻功率放大器對輸出運算放大器的主要要求包括：盡可能高的開環(huán)增益、共模抑制比、電源抑制比、單位增益頻率，以及盡可能低的功耗、失調(diào)電壓等，而輸出功率管的交越失真也是設(shè)計中必須考慮并盡量避免的。很多AB類音頻功放采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，

AB類輸出運算放大器的主要特點是：晶體管的導(dǎo)通時間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作，以抑制偶次諧波，減小交越失真，效率較高，晶體管功耗較小等。

其它附加功能模塊

基準(zhǔn)電壓模塊

輸出運算放大器的基準(zhǔn)電壓通常為VDD/2，接于放大器正端輸入，為運算放大器的輸出提供中心直流電壓，保證其可在輸入交流信號的正負(fù)半周內(nèi)正常工作。這個基準(zhǔn)電壓通常由內(nèi)部電路產(chǎn)生，可以是直接的電阻分壓。但對性能要求更高的音頻功放在這部分的設(shè)計中會考慮到抑制上電噼啪聲，以及需要在電路出現(xiàn)異常即極低或極高的基準(zhǔn)電壓時及時關(guān)斷系統(tǒng)，因而會設(shè)計更復(fù)雜的電路，以保證系統(tǒng)具有更完善的性能。最常見的方法是在芯片外圍接旁路電容，這樣在電源上電時，基準(zhǔn)電壓不是馬上達(dá)到VDD/2，而是經(jīng)旁路電容充電才上升為VDD/2，這使音頻功放可在一定的充電時間后才開始工作，從而避免了電源上電時因芯片立即工作而產(chǎn)生的噼啪聲。

過溫保護模塊

音頻功率放大器芯片都有自己的工作溫度范圍，超出這個范圍，芯片的很多性能都會變得很差，甚至?xí)斐刹豢赡娴膿p壞。為避免這一狀況的發(fā)生，很多音頻功率放大器都會加入過溫保護模塊。過溫保護模塊的原理是利用二極管的負(fù)溫度系數(shù)和電阻的正溫度系數(shù)互補，將鏡像電流源產(chǎn)生的電流鏡像為兩路，一路接一個二極管，而另一路接一個電阻，這兩路的輸出分別接一個比較器的兩個輸入端，比較器的輸出又控制鏡像電流源。芯片在正常溫度范圍內(nèi)工作時，比較器的輸出不變，因為芯片工作時其溫度是逐漸升高的，使一路電壓逐漸降低而另一路逐漸升高，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時，這兩路電壓值的大小發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使比較器的輸出也發(fā)生翻轉(zhuǎn)，控制鏡像電流源的輸出為0，從而關(guān)斷芯片使其停止工作。芯片停止工作后其溫度會逐漸降低，引起兩路的電壓值隨之變化，比較器的輸出也會隨之翻轉(zhuǎn)，使芯片重新開始工作。通過設(shè)計電路結(jié)構(gòu)，可使比較器的兩次翻轉(zhuǎn)所對應(yīng)的溫度值存在大約15℃~20℃的滯回，從而有效避免了因溫度過高而引起的芯片損壞。

音量控制模塊

通常用戶在使用音/視頻產(chǎn)品時都希望它的音量是可以調(diào)節(jié)的。以往大多數(shù)音量調(diào)節(jié)的功能是通過在音頻功放芯片上連接另一塊獨立的音量控制芯片來實現(xiàn)的，但現(xiàn)在，很多音頻功放芯片已經(jīng)把這一功能集成到功放芯片內(nèi)，以降低系統(tǒng)整體成本?，F(xiàn)在普遍采用的音量控制模塊是數(shù)字音量控制，這種控制方式更適合目前消費電子市場上以按鍵為主的操作模式。

音效調(diào)節(jié)模塊

在一些音視頻設(shè)備中通常會提供有如古典樂、搖滾樂、爵士樂以及低音增強等音效的選擇，這些音效調(diào)節(jié)功能同樣可以通過在功放上連接獨立的芯片提供，也可以直接繼承在音頻功放芯片內(nèi)，從而降低系統(tǒng)成本。音效調(diào)節(jié)功能是通過調(diào)節(jié)功放輸出在不同頻段內(nèi)的增益來實現(xiàn)的，例如要達(dá)到低音增強的效果，就通過濾波器來提高低頻部分的增益而保持高頻部分單位增益不變。

音頻放大器的重要參數(shù)

總諧波失真加噪聲

(THD+N)

總諧波失真是指模擬電路處理信號后，在特定頻率范圍內(nèi)所引入的總失真量；噪聲是指通常不需要的信號，有時是由于熱或其它物理條件引起的電路板上的其它電氣行為(干擾)。從上述定義中不難看出，總諧波失真和噪聲越小越好。

對于理想的音頻功率放大器來說，如果不考慮功率放大器的增益

表1 美國國家半導(dǎo)體公司部分AB類放大器參數(shù)略覽

大小，輸入一定頻率的正弦波信號后，其輸出也應(yīng)該是沒有失真(波形沒有變形)、沒有噪聲的正弦波信號。但真實的音頻功率放大器的輸出音頻信號總會有一點失真，并且疊加了噪聲(在正弦波上疊加了高頻雜波)。這種失真是較小的，從波形圖中很難看出來，只有用失真儀才能測出。波形的失真是由于在正弦波上疊加了多種高次諧波而造成的(如3次諧波、5次諧波等)，所以被稱為總諧波失真。理想的音頻功率放大器沒有諧波失真及噪聲，所以THD+N=0。實際的音頻功率放大器有各種諧波造成的失真及由器件內(nèi)部或外部造成的噪聲，其THD+N的值通常為0.00n%~10%(n=1~9)。

但這個指標(biāo)是在一定條件下測試得出的。同一個音頻功率放大器，如果改變測試條件，其THD+N的值會有很大的變動。這里指的條件是，一定的工作電壓VCC(或VDD)、一定的負(fù)載電阻RL、一定的輸入頻率fIN(一般常用1KHz)，以及一定的輸出功率Po。如果改變了其中的條件，則會得到不同的THD+N值。一般來說，輸出功率小(如幾十mW)的高質(zhì)量音頻功率放大器(如用于MP3播放機)的THD+N指標(biāo)可達(dá)10-5，其具有較高的保真度；輸出幾百mW的音頻功率放大器要采用揚聲器放音，其THD+N一般為10-4；輸出功率在1W~2W的音頻功率放大器的THD+N更大些，一般為0.1%~0.5%。

最大輸出功率(POCM)

輸出功率反映了音頻功率放大器的負(fù)載能力，音頻放大器廠商通常會提供產(chǎn)品在一定工作電壓、額定負(fù)載以及某一THD+N指標(biāo)下的最大輸出功率。

電源紋波抑制比(PSRR)

電源紋波抑制比是音頻放大器的輸入測量電源電壓的偏差耦合到模擬電路的輸出信號的比值。PSRR反映了音頻功率放大器對電源的紋波要求，PSRR值越大，音頻放大器輸出音質(zhì)就越好，性能越優(yōu)越。

靜態(tài)功耗(IDD)

這一參數(shù)體現(xiàn)為設(shè)計中的靜態(tài)電流，在滿足最大輸出功率的同

表2 德州儀器公司部分AB類放大器參數(shù)略覽

狀態(tài)描述 產(chǎn)品名稱

參數(shù)

LM4809

LM4863

LM4890

橋式輸出

單端輸出

THD+N

0.3%

Po=50mW,RL=32Ω

f=20Hz~20kHz

0.3%

Po=2W,RL=4Ω

f=20Hz~20kHz

0.2%

Po=75mW,RL=32Ω

f=20Hz~20kHz

0.1%

Po=0.4W,RL=8Ω

f=1kHz

關(guān)斷保護

有，低有效

有，高有效

有，高有效

過溫保護

無

有

有

靜態(tài)電流

1.4mA(典型值)

11.5mA

5.8mA

4mA(典型值)

關(guān)斷電流

0.2mA(典型值)

0.7mA(典型值)

0.1mA(典型值)

電源電壓范圍

2.0V~5.5V

2.0V~5.5V

2.2V~5.5V

PSRR

70dB

CB=1.0mF,

VRIPPLE=200mVPP,f=1kHz

67dB

CB=1.0mF,

VRIPPLE=200mVPP, RL=8Ω

52dB

CB=1.0mF,

VRIPPLE=200mVPP,f=1kHz

62dB

CB=1.0mF,

VRIPPLE=200mVPP,f=217Hz

輸出功率

0.1%THD+N

105mW(RL=16Ω)

70mW(RL=32Ω)

1%THD+N

2.5(RL=3Ω)

2.2(RL=4Ω)

1.1(RL=8Ω)

0.5%THD+N

85mW(RL=32Ω)

1%THD+N

340mW(RL=8Ω)

2%THD+N

1W(RL=8Ω)

狀態(tài)描述 產(chǎn)品名稱

參數(shù)

TPA6112A2

TPA301

TPA6203A1

THD+N

(f＝1kHz，Pout＝1W)

0.6%

Po=100mW,RL=16Ω

f=20Hz~20kHz

1%

Po=350mW,RL=8Ω

f=20Hz~20kHz

0.06%

Po=1W,RL=8Ω

f=1kHz

關(guān)斷保護

有，高有效

有，高有效

有，低有效

過溫保護

有

有

審核編輯 黃宇