為便攜式電子設備設計Ｄ類音頻放大器

張　揚　劉　鋼

摘要：大多數便攜式電子產品需要使用失真低、效率高、體積小，成本低的高性能音頻放大器，只有設計優良的D類音頻放大器才能同時滿足所有這些需求本文將探討如何解決在為便攜式電子產品設計D類音頻放大器時經常遇到的一些問題，包括效率、電磁干擾(EMl)、失真和噪聲等。

關鍵詞：D類放大器；便攜式；音頻；揚聲器；無濾波

不同含義的效率

D類音頻放大器最具吸引力的特性是高效率。音頻放大器的效率有多種含義不同的效率，傳統定義是輸出電功率與總輸入功率之比。對于音頻放大器，轉換為可聽聲音的電功率與總輸入功率之比需要最大，這引出了另一個含義的效率。請注意這兩個效率定義之間的差別：

A，總電氣效率=輸出功率／輸入功率：

B，可聽聲音電氣效率=可聽聲音電氣輸出功率／輸入功率。

音頻電氣效率總是低于總電氣效率，D類音頻放大器尤其如此。

下面是一些提高可聽聲音電氣效率的常用方法：

一、不要使用低于揚聲器響應頻率范圍的信號來驅動揚聲器。例如，大多數手機使用的小尺寸揚聲器不能有效地響應低于400Hz的信號，而音頻信號源可能輸出低至30Hz的頻率分量。用低于該頻率的信號驅動這些揚聲器，不僅會浪費電能和降低可聽聲音電氣效率，而且還會因為將揚聲器驅動到線性位移范圍之外而增大揚聲器非線性產生的失真。由于大多數音頻信號源發出的最低信號頻率低于400Hz，因此需在音頻放大器前面放置高通濾波器。可利用輸入耦合電容和放大器的固定輸入阻抗簡單地形成高通濾波器來加以實現。該濾波器的截止頻率可設置為揚聲器低端截止頻率的幾分之一。

二、不要使用高于揚聲器高端截止頻率的信號來驅動揚聲器。對于手機中使用的典型小尺寸揚聲器，這個頻率在4KHz到10KHz之間，而有些音頻信號源的信號最高頻率可高達20kHz。以高于這個頻率的信號驅動這些揚聲器不僅會浪費電能和降低可聽聲音電氣效率，而且也使音頻信號的波峰因數(峰值／KMS值)很高，增大了輸出信號被輸出級截斷以致增加失真的可能性。為了防止信號源的高端信號頻率高于揚聲器的高端截止頻率，可在信號源和音頻放大器輸入之間插入低通濾波器，它可以是簡單的RC濾波器。將低通濾波器放在輸出級之后效果不好，由于信號的波峰因數高，信號可能在到達低通濾波器之前已被輸出級截斷。

三、盡量減小揚聲器中的開關頻率電流。依賴于D類放大器使用的調制方案，揚聲器兩端的差分電壓在開關頻率下變化幅度很大。應選擇具有“無濾波”調制方案且開關頻率足夠高的放大器，否則，需在放大器輸出端用外部電感濾掉開關頻率分量。8Ω手機揚聲器的典型固有電感在1OμH到15μH之間，當開關頻率為1MHz時，15μH電感與8 Ω直流電阻的總阻抗為94.6Ω。SSM2301／2302／2304／2306系列產品使用∑-△脈沖密度調制(PDM)，開關頻率為1.8MHz。這種調制方案在揚聲器兩端產生的開關頻率電壓較低，而高開關頻率使揚聲器能利用固有電感有效地阻斷開關信號，因而這些器件無需使用外部電感就可把揚聲器中的開關頻率電流保持在低水平。

將電磁干擾降至最低

D類音頻放大器的工作原理決定它需要使用開關型輸出級，而這種輸出級會發射出很強的電磁干擾。參見圖1中的原理圖，插入電感或鐵氧體磁珠和使用電容進行旁路的措施可把電磁干擾降到低于一定水平進而通過標準的EMI測試。下面是選擇電感和鐵氧體磁珠的一些基本準則：

一、使用額定電流高和開放式磁回路磁芯電感，以避免電感器飽和非線性所產生的失真。屏蔽型電感的飽和曲線常常很“硬”。

與相同額定電流的電感相比，鐵氧體磁珠尺寸較小但造成的失真較大。

二、調制方案對輸出電磁干擾會產生重大影響。ADI公司的SSM2301／2302／2304所使用的∑-△脈沖密度調制可使電磁干擾均勻地散播出去，更易于通過EMI測試。

PCB(印制電路板)布局對降低電磁干擾有非常重要的作用。一個關鍵措施是讓電源和輸出去耦電容器彼此靠近，這樣就可以將它們的地線端子直接焊在一起，參見圖2給出的PCB布局，它是基于圖1的原理圖實現的。

另外請注意，所有連接到揚聲器端子的PCB走線始于去耦電容焊盤而不是鐵氧體磁珠焊盤，否則，電磁干擾無法降到最低限度。對于Vdd軌，我們對c6使用了同樣的技術。放大器的引腳5和8節點發射的電磁干擾最大，這些節點的物理連接尺寸應盡可能地小，同時不要在這些節點上布局長的PCB走線。

盡量減少失真和噪聲

下面是一些實現低失真的技術：

1、對于要求失真極低的系統，如THD+N(總諧波失真+噪聲)←65dB，應在輸出端加電感而不是加鐵氧體磁珠，因為后者具有較高的非線性。

2、采用額定電壓為25V到50V甚至更高、使用X7R材料制造的高壓多層陶瓷電容器作為輸入耦合電容(圖1中的C1和C2)。同額定電壓高的電容器相比，低壓電容器的電容值隨偏置電壓變化的幅度更大。

3、將負的輸入節點連接到信號源(如音頻數模轉換器或編碼解碼器)的地線，而不要簡單地把它連接到自己的接地點上。這種連接方式可最大限度地降低共模噪聲。

4、避免將音頻信號源器件放在遠離放大器的地方。避免對輸入節點使用長PCB走線。如果迫不得已，將輸入節點線對平行布線：一條走線放在板的正面，另一條放在反面。這種方式可最大限度地降低回路所接收到的電磁干擾。

5、避免將高頻(>1MHz)電磁干擾引入到輸入端口，否則，整流效應可能把高頻電磁干擾轉換成可聽噪聲。圖3顯示了這種整流效應。

其它需關注的問題

消除喀噠聲和噼啪聲：在開機或關機時，關斷引腳的切換可使放大器啟動或停止，如果放大器Ic的設計不合適，揚聲器在此時會發出某種“喀噠”聲或“劈啪”聲。前者由窄脈沖產生，而后者由緩慢衰減的階躍函數產生。通常，D類音頻放大器Ic(如SSM2301／2302／2304／2306)具備消除“喀噠”聲和“噼啪”聲的功能。在產品投入量產之前應全面測試這些功能。

如果放大器一直與電池相連，關斷電流可能是另一個需要關注的問題。在選擇放大器IC時，注意留意這個參數。

PSRR(電源抑制比)：對于手機應用，這個指標特別重要，但它常常通過IC設計來實現，在系統層面做不了什么。

收聽效果

音頻系統設計的最終目標獲得良好的收聽效果，它對系統設計是否成功擁有最終決定權。實現這一目標需要聲學設計和電子設計的完美結合。在不久的將來，便攜式電子音頻放大器可能會結合一些可均衡頻率響應、降低失真和優化收聽效果的智能或自動化方法。