張　揚(yáng)　劉　鋼

摘要：大多數(shù)便攜式電子產(chǎn)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(shè)計(jì)優(yōu)良的D類音頻放大器才能同時(shí)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(chǎn)品設(shè)計(jì)D類音頻放大器時(shí)經(jīng)常遇到的一些問題，包括效率、電磁干擾(EMl)、失真和噪聲等。

關(guān)鍵詞：D類放大器；便攜式；音頻；揚(yáng)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(tǒng)定義是輸出電功率與總輸入功率之比。對于音頻放大器，轉(zhuǎn)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(yáng)聲器響應(yīng)頻率范圍的信號來驅(qū)動揚(yáng)聲器。例如，大多數(shù)手機(jī)使用的小尺寸揚(yáng)聲器不能有效地響應(yīng)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(qū)動這些揚(yáng)聲器，不僅會浪費(fèi)電能和降低可聽聲音電氣效率，而且還會因?yàn)閷P(yáng)聲器驅(qū)動到線性位移范圍之外而增大揚(yáng)聲器非線性產(chǎn)生的失真。由于大多數(shù)音頻信號源發(fā)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?？衫幂斎腭詈想娙莺头糯笃鞯墓潭ㄝ斎胱杩购唵蔚匦纬筛咄V波器來加以實(shí)現(xiàn)。該濾波器的截止頻率可設(shè)置為揚(yáng)聲器低端截止頻率的幾分之一。

二、不要使用高于揚(yáng)聲器高端截止頻率的信號來驅(qū)動揚(yáng)聲器。對于手機(jī)中使用的典型小尺寸揚(yáng)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(dá)20kHz。以高于這個頻率的信號驅(qū)動這些揚(yáng)聲器不僅會浪費(fèi)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(shù)(峰值／KMS值)很高，增大了輸出信號被輸出級截?cái)嘁灾略黾邮д娴目赡苄?。為了防止信號源的高端信號頻率高于揚(yáng)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(shù)高，信號可能在到達(dá)低通濾波器之前已被輸出級截?cái)唷?/p>

三、盡量減小揚(yáng)聲器中的開關(guān)頻率電流。依賴于D類放大器使用的調(diào)制方案，揚(yáng)聲器兩端的差分電壓在開關(guān)頻率下變化幅度很大。應(yīng)選擇具有“無濾波”調(diào)制方案且開關(guān)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(guān)頻率分量。8Ω手機(jī)揚(yáng)聲器的典型固有電感在1OμH到15μH之間，當(dāng)開關(guān)頻率為1MHz時(shí)，15μH電感與8 Ω直流電阻的總阻抗為94.6Ω。SSM2301／2302／2304／2306系列產(chǎn)品使用∑-△脈沖密度調(diào)制(PDM)，開關(guān)頻率為1.8MHz。這種調(diào)制方案在揚(yáng)聲器兩端產(chǎn)生的開關(guān)頻率電壓較低，而高開關(guān)頻率使揚(yáng)聲器能利用固有電感有效地阻斷開關(guān)信號，因而這些器件無需使用外部電感就可把揚(yáng)聲器中的開關(guān)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(guān)型輸出級，而這種輸出級會發(fā)射出很強(qiáng)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(jìn)行旁路的措施可把電磁干擾降到低于一定水平進(jìn)而通過標(biāo)準(zhǔn)的EMI測試。下面是選擇電感和鐵氧體磁珠的一些基本準(zhǔn)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(chǎn)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(diào)制方案對輸出電磁干擾會產(chǎn)生重大影響。ADI公司的SSM2301／2302／2304所使用的∑-△脈沖密度調(diào)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(guān)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(shí)現(xiàn)的。

另外請注意，所有連接到揚(yáng)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(shù)。放大器的引腳5和8節(jié)點(diǎn)發(fā)射的電磁干擾最大，這些節(jié)點(diǎn)的物理連接尺寸應(yīng)盡可能地小，同時(shí)不要在這些節(jié)點(diǎn)上布局長的PCB走線。

盡量減少失真和噪聲

下面是一些實(shí)現(xiàn)低失真的技術(shù)：

1、對于要求失真極低的系統(tǒng)，如THD+N(總諧波失真+噪聲)←65dB，應(yīng)在輸出端加電感而不是加鐵氧體磁珠，因?yàn)楹笳呔哂休^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(fù)的輸入節(jié)點(diǎn)連接到信號源(如音頻數(shù)模轉(zhuǎn)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(diǎn)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(yuǎn)離放大器的地方。避免對輸入節(jié)點(diǎn)使用長PCB走線。如果迫不得已，將輸入節(jié)點(diǎn)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(yīng)可能把高頻電磁干擾轉(zhuǎn)換成可聽噪聲。圖3顯示了這種整流效應(yīng)。

其它需關(guān)注的問題

消除喀噠聲和噼啪聲：在開機(jī)或關(guān)機(jī)時(shí)，關(guān)斷引腳的切換可使放大器啟動或停止，如果放大器Ic的設(shè)計(jì)不合適，揚(yáng)聲器在此時(shí)會發(fā)出某種“喀噠”聲或“劈啪”聲。前者由窄脈沖產(chǎn)生，而后者由緩慢衰減的階躍函數(shù)產(chǎn)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(chǎn)品投入量產(chǎn)之前應(yīng)全面測試這些功能。

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

PSRR(電源抑制比)：對于手機(jī)應(yīng)用，這個指標(biāo)特別重要，但它常常通過IC設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)層面做不了什么。

收聽效果

音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)獲得良好的收聽效果，它對系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否成功擁有最終決定權(quán)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要聲學(xué)設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)的完美結(jié)合。在不久的將來，便攜式電子音頻放大器可能會結(jié)合一些可均衡頻率響應(yīng)、降低失真和優(yōu)化收聽效果的智能或自動化方法。