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如何選擇最適合應(yīng)用的音頻放大器
發(fā)布時(shí)間:2017-04-12 來(lái)源:Robert Nicoletti 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】隨著音頻市場(chǎng)需求的不斷變化,音頻放大器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了很大進(jìn)步。在選擇適合具體應(yīng)用的最佳音頻放大器IC時(shí),了解可用的音頻放大器類型及其特征至關(guān)重要。音頻放大器將小信號(hào)的幅值提高至有用電平,同時(shí)保留小信號(hào)的細(xì)節(jié),這稱為線性度。放大器的線性度越好,輸出信號(hào)越能真實(shí)地表示輸入信號(hào)。
隨著音頻市場(chǎng)對(duì)放大器性能需求的不斷變化,音頻放大器電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了很大進(jìn)步。所以,設(shè)計(jì)者必須了解可選用的音頻放大器類型及其特點(diǎn)。這是確保選擇最佳音頻放大器的唯一方法。本文中,我們介紹當(dāng)今可用的各種音頻放大器的最重要特點(diǎn):A類、B類、AB類、D類、G類、DG類和H類。
A類放大器
最簡(jiǎn)單的音頻放大器為A類放大器。A類放大器具有導(dǎo)通的輸出晶體管(圖1),與輸出信號(hào)波形無(wú)關(guān)。A類音頻放大器的線性度最好,但效率較低。這類放大器用于要求高線性度并且可用功率能滿足要求的應(yīng)用。
圖1. A類音頻放大器通常具有高線性度,但效率較低。
B類放大器
B類放大器采用推挽式放大器結(jié)構(gòu)。B類放大器的輸出采用正向和反向晶體管。為復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào),每個(gè)晶體管僅在信號(hào)波形的半周期(180°)期間導(dǎo)通(圖2)。這允許放大器在空閑時(shí)為零電流,因此比A類放大器的效率高。
B類放大器是一種折衷:效率提高,音頻質(zhì)量下降。這是因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)交越點(diǎn),兩個(gè)晶體管都從導(dǎo)通狀態(tài)跳變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。眾所周知,B類音頻放大器在處理低電平信號(hào)時(shí)存在交越失真,不適合低功率應(yīng)用。
圖2 .B類音頻放大器中,輸出晶體管僅在信號(hào)波形的半周期(180°)期間導(dǎo)通。為放大整個(gè)信號(hào),使用兩個(gè)晶體管,其中一個(gè)在正向輸出信號(hào)導(dǎo)通,另一個(gè)在負(fù)向輸出信號(hào)導(dǎo)通。
AB類放大器
介于A類和B類放大器結(jié)構(gòu)之間的是AB音頻放大器。AB類放大器具有A類放大器結(jié)構(gòu)的音質(zhì),同時(shí)具有B類放大器的效率。這種性能是采用以下方法實(shí)現(xiàn)的:將兩個(gè)晶體管偏置到導(dǎo)通接近于零的信號(hào)輸出,即B類放大器開始呈現(xiàn)非線性的點(diǎn)(圖3)。對(duì)于小信號(hào),兩個(gè)晶體管均導(dǎo)通,作用相當(dāng)于A類放大器;對(duì)于大信號(hào)偏移,每半個(gè)波形周期內(nèi)只有一個(gè)晶體管導(dǎo)通,因此像B類放大器一樣工作。
AB類揚(yáng)聲器放大器具有高信噪比(SNR)、低THD+N,典型效率高達(dá)65%,使其成為高保真揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器的理想選擇。MAX98309和MAX98310等AB類放大器被廣泛用于便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、平板電腦和電子書閱讀器等必須保證高保真的設(shè)備。有些耳機(jī)放大器采用BTL配置的AB類放大器結(jié)構(gòu)。例如,MAX97220A耳機(jī)放大器在整個(gè)音頻頻率內(nèi)具有優(yōu)異的低THD+N性能,同時(shí)輸出高達(dá)125mW的功率。MAX97220A是當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛的AB類耳機(jī)放大器之一。更多示例請(qǐng)參考Maxim的 AB類放大器。
圖3. AB類放大器將兩個(gè)晶體管偏置,使其在信號(hào)接近零時(shí)能夠?qū)?。所以這類放大器的效率比A類放大器高,失真比B類放大器小。
D類放大器
智能手機(jī)、MP3播放器和便攜式擴(kuò)展塢等手持移動(dòng)音頻設(shè)備的普及將功耗問題推上了風(fēng)口浪尖?,F(xiàn)在,必須通過降低功耗來(lái)延長(zhǎng)電池壽命。D類放大器利用脈寬調(diào)制(PWM)產(chǎn)生滿擺幅數(shù)字輸出信號(hào),利用占空比的變化表示模擬輸入信號(hào)(圖4)。由于輸出晶體管在工作期間要么完全導(dǎo)通,要么完全關(guān)閉,所以這些放大器的效率較高(往往高達(dá)90%或更高)。該方法完全避免了使用晶體管的線性區(qū)域,而晶體管線形區(qū)正是造成其它類型放大器效率較低的原因?,F(xiàn)代的D類放大器的保真度也可媲美AB類放大器。由于D類開關(guān)放大器具有較高效率,例如MAX98304和MAX98400A,所以被廣泛用于便攜式應(yīng)用。更多示例請(qǐng)參考Maxim的D類放大器。
圖4. D類音頻放大器輸出開關(guān)波形,頻率遠(yuǎn)高于需要復(fù)現(xiàn)的最高音頻信號(hào)頻率。由于輸出晶體管在工作期間要么完全導(dǎo)通,要么完全關(guān)閉,所以這些放大器的效率較高。
G類放大器
G類放大器與AB類放大器類似,但使用兩路或多路供電電壓。G類放大器工作在低信號(hào)電平時(shí),選擇低電源電壓。當(dāng)信號(hào)電平升高時(shí),這些放大器自動(dòng)選擇相應(yīng)的電源電壓(圖5)。G類放大器僅在必要時(shí)使用最高電源電壓,而AB類放大器始終使用最高電源電壓,所以G類放大器的效率高于AB類放大器。
便攜式音頻應(yīng)用中有一個(gè)常見的問題:可供揚(yáng)聲器放大器使用的電源電壓是有限的。G類功率放大器利用電荷泵將電源升壓,從而解決了電源電壓?jiǎn)栴}。例如,MAX9730揚(yáng)聲器放大器為傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器進(jìn)行優(yōu)化,而MAX9788揚(yáng)聲器放大器設(shè)計(jì)用于陶瓷揚(yáng)聲器。更多示例請(qǐng)參考Maxim的G類放大器。
圖5. G類放大器僅在必要時(shí)使用最高電源電壓,所以其效率高于AB類放大器。
DG類放大器
DG類放大器利用PWM產(chǎn)生滿擺幅、占空比可變的數(shù)字輸出信號(hào)。在這方面,DG類放大器與D類放大器相同。然而,DG類放大器也使用多電平輸出級(jí)檢測(cè)輸出信號(hào)的幅值(圖6);然后根據(jù)需要切換電源軌,以更高效率提供要求的功率。DG類放大器,例如MAX98308,采用與D類放大器結(jié)構(gòu)相同的雙電源概念,獲得更高的效率。更多示例請(qǐng)參考Maxim的DG類放大器。
圖6. DG類放大器檢測(cè)輸出信號(hào)的幅值,然后根據(jù)需要切換電源軌,以更高的效率提供需要的功率。
H類放大器
H類放大器調(diào)制其電源電壓,最大程度減小輸出級(jí)的壓降。實(shí)現(xiàn)方法包括從使用多個(gè)分立式電壓到無(wú)限可調(diào)電源等。盡管與G類放大器降低輸出器件功耗的技術(shù)相類似,但H類放大器結(jié)構(gòu)不要求多個(gè)電源(圖7)。
H類放大器一般比其它音頻放大器設(shè)計(jì)更復(fù)雜。這些放大器要求精確的控制電路,以預(yù)測(cè)和控制電源電壓。音頻編解碼IC,例如MAX98090和MAX98091,集成了AB類耳機(jī)放大器和H類電源結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了極低功耗、提供了完備的音頻方案。更多示例請(qǐng)參考Maxim的H類放大器。
圖7. H類音頻放大器降低了輸出器件的功耗,放大器的工作效率與優(yōu)化的AB類放大器相當(dāng),而與輸出功率無(wú)關(guān)。
總結(jié)
本文簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)今設(shè)計(jì)中常用的多種音頻放大器。顯而易見,無(wú)論為何種類型的設(shè)備設(shè)計(jì)音頻電路,都應(yīng)該嚴(yán)格確定最適合具體應(yīng)用的音頻放大器結(jié)構(gòu)。充分了解不同類型的音頻放大器,將有助于選擇最適合設(shè)計(jì)的音頻放大器。
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