新型无滤波器D类放大器及其应用设计技巧

上网时间: 2005年09月02日? 作者:Herry Kwok, 郭俊杰? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:功率放大器? power amplifier?

如今,MP3播放器、PMP和手机等便携产品都面临延长电池使用时间的挑战。在这方面,由于比AB类放大器具备更高的效率,D类放大器备受瞩目,特别是无滤波器D类放大器为工程师在设计便携产品时提供了更大的灵活性。
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图1:典型的D类放大器工作情况。

如今,MP3播放器、便携式媒体播放器(PMP)或手机等许多便携式产品都具备MP3或MP4播放/录音功能。不论采用的是硬件抑或软件解码,功耗都是个问题。因此,这些便携式产品所采用的电池也遇到使用时间缩短的难题。某些情况下,用户会用免提(扬声器模式)播放电影或音乐。这给系统电池增添了额外的负担。尽管电池容量通过采用新技术——从镍铬(Ni-Cad)电池到镍氢(Ni-MH)电池再到锂离子(Li-ion)电池——而得到改进,但仍然无法完全克服电池使用时间缩短的问题。

为了使电池贮存更多的电量,功率放大器成为了我们注意的一个焦点。其中,D类放大器具有比AB类放大器更高的效率。大家知道,典型的AB类放大器效率最高只能达到50-70%,而典型的D类放大器与之相比,效率可达85%,尤其是在低功率输出方面。更高效率意味着可以节省功率,并使产生的热量较少。而更低的功率消耗及热量能使你设计的系统更加可靠,电池使用时间更长。你可以发现D类放大器比AB类放大器能储存更多的能量。即使是全功率或低功率输出,效率方面也更为突出。

基本的D类放大器理论是给定的小模拟信号作为功率放大器的输入。功率放大器内部调制器将模拟转换成数字信号,如脉宽调制(PWM)或脉冲编码调制(PCM)(取决于器件采用何种调制方式)。但它仍然是一个微弱的数字信号。然后,桥接放大器将数字信号的振幅放大。为了将高幅度数字信号转换回模拟输出,还需要一个无源LC滤波器。图1能说明更多细节,其中,红色方框内代表功放器件(芯片)部分。

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图3:典型的低通滤波器电路。

图2是典型的PWM D类放大器结构。蓝色方框代表PWM转换器(调制器)。红色方框表示高功率放大器。放大器和扬声器之间的最终输出级是无源低通滤波器(LPF)。D类放大器的低通滤波器必不可少。

图3是典型的低通滤波器电路。功放和扬声器之间串联两个电感。当功放工作时,大电流会流过这两个电感。由于有大电流通过,因此要选择大尺寸电感。但对于便携式产品,PCB空间十分有限,不允许使用两个大电感。除了两个大电感之外,外部的三个电容也占用了PCB空间。

为了避免使用输出滤波器,美国国家半导体(National Semiconductor)专门研制出了系列无滤波器D类放大器,为攻占这一市场提供了灵活性。其概念是采用一个移动的线圈扬声器作为变送器(transducer)。音频放大器上的典型变送器负载相当感性(感性负载)。因此,扬声器负载可担当作为其自身的滤波器。

美国国家半导体提供多款“无滤波器”D类放大器解决方案,如LM4666、LM4667、LM4670和LM4671等。下面列出的是这几款放大器的主要特性或典型设计电路。
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图4:典型的LM4666应用电路。

图4所示为典型的LM4666应用电路。LM4666是一款每声道可输出1.3W的高效率全面差分D类立体声扬声器放大器,增益更可由用户自行选择(6-12dB)。这个单芯片的立体声解决方案不但设计灵活,而且容易使用,由于增益可自行选择,因此所需的零件可以减至最少,而电路板的板面空间也可尽量缩小,有助降低系统的整体成本。由于这款放大器芯片的能源效益极高,因此功耗较低,而芯片本身所耗散的热能也较少,有助延长移动电话的电池寿命及通话时间。此外,由于LM4666也采用delta-sigma调制技术,因此可以抑制输出噪音,减少总谐波失真(THD),以这方面来说,确实比传统的脉冲宽度调制(PWM)D类放大器优胜。

当THD等于1%(Vdd=5V)时,LM4666能将每通道1.2W的输出功率传送给8欧扬声器。两个内部固定增益通过一个增益选择引脚进行控制,如6dB或12dB。LM4666具有低功耗关断模式。封装为micro-SMD及MSOP。当电源电压为3.3V时,能驱动4欧扬声器。

LM4667是一款全面集成的单电源、高效率开关音频放大器。由于这款芯片设有创新的调制器,因此无需装设一般开关放大器必须采用的输出滤波器。LM4667采用delta-sigma调制技术处理模拟输入信号,因此输出噪音以至总谐波失真及噪音(THD+N)都比采用传统的脉冲宽度调制器低。LM4667芯片是专为移动电话及其他便携式通信设备而设计,务求能满足这类电子设备的要求。这款芯片只采用一个3伏的电源供应器,可以连续输出平均约450mW的功率以驱动8W感性负载,而总谐波失真及噪音不会超过1%。这款芯片更可灵活利用2.7伏至5.5伏的电源供应操作。

当THD等于2%(Vdd=5V)时,LM4667能将1.3W的输出功率传送给8欧扬声器。两个内部固定增益通过一个增益选择引脚进行控制,如6dB或12dB。其外部元件非常少。LM4667具有低功耗关断模式。封装为micro-SMD及MSOP。当电源电压为3.3V时,能驱动4欧扬声器。

LM4670及LM4671都是全面集成的单电源供应、高效率开关音频放大器,LM4670可以提供3W的功率输出,而LM4671的输出功率则高达2.5W。这两款放大器芯片都设有创新的调制电路,因此无需加设输出滤波器,这个优点是典型的开关放大器所没有的。由于无需加设输出滤波器,因此系统所需的外置元件便可以减少,有助精简电路设计及缩小电路板面积。LM4670芯片利用delta-sigma调制技术处理输入模拟信号,这个设计可减少输出噪音及总谐波失真。LM4670放大器的特点是输出功率较高,因此最适用于超高功率对讲机、移动电话对讲系统及免持听筒等应用。LM4671芯片可以利用PWM技术处理输入模拟信号,因此输出噪音较少,最适用于耳机/接收器、高功率振铃及免持听筒等音频系统。

当THD等于1%(Vdd=5V)时,LM4670单sigma-delta调制无滤波器D类音频放大器能将2.3W传送给4欧扬声器。器件增益可进行外部配置,即可通过将信号累加的多种方式进行独立的增益控制。LM4670具有低功耗关断模式。封装为micro-SMD及LLP。

当THD等于1%(Vdd=5V)时,LM4671单PWM调制无滤波器D类音频放大器能将2.2W传送给4欧扬声器。器件增益可进行外部配置。LM4670具有低功耗关断模式。封装为micro-SMD。

无滤波器D类放大器的应用设计技巧

功率放大器输出中存在的攻击性波形可能会对系统中的其它器件带来幅射或影响,从而产生干扰。有必要保持输出迹线较短(见图5),如果有可能的话,还要对其进行很好地屏蔽。

以手机应用为例。手机PCB设计上的挑战在于两个方面:一是板面积小,二是有RF的电路。因为可用的板面积有限,而又有数个不同特性的电路区域,如RF电路、电源电路、话音模拟电路、一般的数字电路等,它们都各有不同的设计需求。在这种情况下,好的布局必须防止射频能量与电话中的基频部分或音频电路的音频与功率迹线产生串扰。从布局方面考虑,我们不可以将功率放大器放在天线附近,因为在有电话拨入或拨出时天线的辐射会与高功率输出产生串扰。此外,所有的信号路径必须通过接地层进行屏蔽/隔离。使用接地层、磁珠和微带设计技巧对于防止发生多余的干扰而言都非常有好处。

而随着输出功率提高,放大器、负载和电源之间的互连阻抗(PCB迹线和连线)会产生电压降。放大器与负载之间的迹线上的电压损耗会使输出功率降低,效率下降。而电源与功率放大器之间过高的迹线阻抗也会导致同样的结果,如电源供应不稳定、电源线纹波增加,以及峰值输出功率下降。此外,由于输出功率提高,输出电流也随之提高,残余迹线阻抗也会升高。为了维持最高的输出电压摆幅和相应的峰输出功率,连接输出引脚到负载引脚的PCB迹线应该足够宽,从而将迹线阻抗最小化。

作者:郭俊杰,亚太区音频产品应用工程师,美国国家半导体香港有限公司

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