便攜式系統(tǒng)音頻功率放大器解決方案

　　一、單端（SE）輸出 vs. 橋式（BTL）輸出

　　輸出結(jié)構(gòu)常見的有兩種，SE(Single-ended)模式與BTL(Bridge-Tied-Load)模式，見下圖-1。

圖-1 單端模式與橋式模式

　　在便攜式系統(tǒng)中，常見的直流電源電壓，（+1.8V，+2.5V，+3.3V）通常不會(huì)超過+5.0V，如果是單端結(jié)構(gòu)，輸出的峰-峰值電壓Vp-p最大只有5.0V，實(shí)際上由于輸出級(jí)上、下管子的飽和壓降，在沒有被削波的前提下，Vp-p最大只有4.5V左右，這樣有效值 = =1.59V，全部加到RL=4ohm的負(fù)載，輸出功率 =0.63W。所以單端結(jié)構(gòu)，無法輸出2W功率。

　　如果是BTL輸出結(jié)構(gòu)，Vp-p則可以達(dá)到8.0V，有效值 = =2.828V，加到RL=4ohm的負(fù)載，輸出功率 =2.0W。

　　因此要在VCC=5.0V條件下輸出2W左右的功率，只能采用橋式輸出結(jié)構(gòu)。所以單端結(jié)構(gòu)常用來驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，而BTL結(jié)構(gòu)常用來驅(qū)動(dòng)音箱。見下圖-2 AA4002典型應(yīng)用原理圖。

圖-2 AA4002典型應(yīng)用圖

　　從上圖中，看到在驅(qū)動(dòng)耳機(jī)時(shí)，還需要有一個(gè)較大的電解電容，它的作用是，
　?、俑魯嘀绷骰鶞?zhǔn)電壓Vbias（1/2VCC）。如果沒有隔直，直流電壓會(huì)直接流過后面的揚(yáng)聲器線圈，使紙盆平衡位置偏向一端，Vbias過大甚至損壞線圈。
　?、隈詈辖涣鞯囊纛l信號(hào)，它與揚(yáng)聲器負(fù)載構(gòu)成了一階高通濾波網(wǎng)絡(luò)，見圖-1。由經(jīng)典公式（1）可知，電容值的大小影響低頻處的截止頻率fc有關(guān)。

公式（1）

　　電容Co越大，截止頻率fc越低，意味著更低的頻率可以耦合到負(fù)載，見圖-3。

圖-3 不同耦合電容下的頻響（RL=16ohm）

　　BTL結(jié)構(gòu)則不需要耦合電容，節(jié)約系統(tǒng)成本，節(jié)省PCB空間，改善低頻響應(yīng)。

　　不僅如此，BTL結(jié)構(gòu)輸出，它能有效地抑制共模噪聲。在相同的輸出功率條件下，橋式模式的噪聲明顯小于單端模式下的噪聲，見下圖-4對(duì)比，通道1（藍(lán)色）--負(fù)載兩端，通道2（綠色）--電源。這是因?yàn)橄嗤臎_擊會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在橋式輸出結(jié)構(gòu)的‘+’、‘-’兩端，通過負(fù)載后，會(huì)相互抵消，不對(duì)揚(yáng)聲器做功，聽不到”POP”聲，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于上電、掉電噪聲，操作噪聲都有很好的抑制。

圖-4 橋式模式與單端模式輸出的”POP”噪聲

　　實(shí)際上，講輸出功率是多少，通常需要指定條件，比如電源電壓[VCC]，輸出負(fù)載[RL]，諧波失真[THD+N]。只有這些條件確定之后，輸出功率才有意義。在產(chǎn)品規(guī)格書中，通常會(huì)提供以下圖表，輸出功率 vs.電源電壓，見圖-5，輸出功率vs.負(fù)載，圖-6，以及輸出功率vs.諧波失真+噪聲，圖-7。

圖-5 AA4002 Po vs. Supply voltage with different THD+N

圖-6 AA4002 Output Power vs. Load Resistor

圖-7 AA4002 THD+N vs. Output Power

　　二、低音增強(qiáng)

　　對(duì)于小功率的音箱，由于尺寸的限制，它們的低頻響應(yīng)通常都很差，而人耳又偏偏對(duì)于低頻的音樂反映不敏感。有必要在電子線路上想辦法，解決這一問題。低音增強(qiáng)，它的實(shí)現(xiàn)方法是在反饋回路中，通過增加電容，來實(shí)現(xiàn)低頻部分的增益大于通帶內(nèi)的增益，相當(dāng)于環(huán)路系統(tǒng)中增加了一個(gè)極點(diǎn)，一個(gè)零點(diǎn)，在AA4002的典型應(yīng)用電路圖中，電容C2、C11就是這樣的電容，見圖-2。

　　那么它的理想傳遞函數(shù)，公式（x）

　　極點(diǎn)，

　　零點(diǎn)，

　　假設(shè)R1=R2=R3=20K，C2=0.068uF，則可以計(jì)算出f_ZERO=234Hz，f_POLE=117Hz，波特圖如下。這個(gè)幅度與相位只是對(duì)于低音增強(qiáng)這一段，如果是BTL輸出，則增益還會(huì)增加一倍（6dB），如果信號(hào)從PIN10/12腳輸入，經(jīng)過兩級(jí)反相，則輸出端、輸入端的相位差接近0DEG，具體可以參考AA4002 Design tools。

圖-8 Bass boost部分幅度與相位曲線

　　調(diào)整其容值的大小，可以調(diào)整增益拐點(diǎn)位置以及增益的大小。圖-9為AA4002實(shí)際測(cè)到的低音增強(qiáng)特性曲線。

圖-9 AA4002不同容值的低音增強(qiáng)特性曲線

　　三、POP噪聲

　　POP噪聲是指，在音頻系統(tǒng)中上電、斷電瞬間，以及上電穩(wěn)定后，各種操作所帶來的瞬態(tài)沖擊，形成的爆破聲。這是用戶所不愿聽到的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師總是想辦法避免它。上面提到的橋式結(jié)構(gòu)就可以有效的抑制這種POP噪聲。除此之外，還有其他一些常用的方法。

　　1. 對(duì)于圖-1所示的單端結(jié)構(gòu)，減小Co的容值可以使“POP”沖擊幅度變小，沖擊脈沖寬度變窄，其頻譜中的能量大都在高頻，同樣可以減小可聞噪聲。在圖-10中，電容Co分別為10uF、47uF、100uF、220uF在開關(guān)機(jī)的沖擊情況?？梢钥吹疆?dāng)Co減小到一定值后，再減小其值所帶來的噪聲抑制效果就很小，但是根據(jù)公式（1）由于電容值的減小所帶來的截止頻率fc的升高確是明顯的，見上面圖-2。因此設(shè)計(jì)工程師需要權(quán)衡，做出一個(gè)折中的選擇。通常質(zhì)量好的耳機(jī)本身有較好的低頻響應(yīng)，對(duì)于AA4002，推薦選用100uF的耦合電容。

圖-10 不同耦合電容下的”POP”聲沖擊

　　2．另外AA4002有一個(gè)pin22，Vref，它是內(nèi)部直流基準(zhǔn)電壓，也就是要想內(nèi)部電路工作，這個(gè)偏置電壓必須建立起來。在應(yīng)用時(shí)通常外接一只旁路電解電容對(duì)地，起到濾除噪聲的作用。它的電壓值約等于1/2Vdd。增大這個(gè)電容的容值，也可以減小“POP”噪聲。當(dāng)芯片上電或從待機(jī)狀態(tài)切換到工作狀態(tài)時(shí)，直流偏置電壓開始建立，從0V逐漸升高，對(duì)Vbias濾波電容充電，經(jīng)過一定的時(shí)間建立時(shí)間后，電壓上升到1/2Vdd，芯片可以工作，輸出的音頻信號(hào)就是基于這個(gè)直流電壓上下擺動(dòng)。同樣當(dāng)芯片掉電或進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時(shí)，濾波電容放電，偏置電壓開始下降，從1/2Vdd直到0V。實(shí)驗(yàn)證明，芯片上電、掉電的”POP”聲就是偏置電壓瞬間跳變引起的，圖-11是仿真結(jié)果，紅線―Vbias電壓；藍(lán)線―單端模式負(fù)載端（耦合電容之后，圖-1的左圖，Co=220uF，RL=16ohm）。如果Vbias的跳變緩慢，POP沖擊就會(huì)變小，見圖-12。我們看到?jīng)_擊幅度下降了，POP聲也就變小了。Vbias上升、下降變緩，即增大基準(zhǔn)電壓的跳變延時(shí)。假定濾波電容充放電的電流是個(gè)常數(shù)，把這個(gè)過程簡(jiǎn)化成一階RC模型。由經(jīng)典的延時(shí)公式（2），從10%→90%所需的時(shí)間。

公式（2）

圖-11 單端模式”POP”噪聲與Vbias電壓

圖-12 Vbias變緩后的”POP”噪聲

　　因此增大Vbias濾波電容可以減緩直流基準(zhǔn)電壓的上升、下降動(dòng)作，起到減小”POP”聲的作用。圖-13 是AA4002增大電容后，基準(zhǔn)電壓變緩的對(duì)比圖。藍(lán)線―電源電壓Vdd，綠線―Vbias電壓（假設(shè)Vdd=5.0V，Vbias=2.5V）。

圖-13 不同旁路電容下的Vbias電壓變化 （上圖，Cbias=1.0uF. 下圖，Cbias=2.2uF）

　　需要注意的是，此濾波電容過大，會(huì)使芯片的建立時(shí)間拉長(zhǎng)，給人感覺聲音“久久”沒有輸出。另外電容過大還會(huì)使音頻系統(tǒng)的重要指標(biāo)-諧波失真+噪聲（THD+N）變差，這里不解釋詳細(xì)的原因，取值時(shí)請(qǐng)參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)，做出折中的選擇。

　　3．AA4002還提供了兩個(gè)非常有用的功能MUTE、SHUTDOWN。MUTE有效時(shí)，作用機(jī)制是大大衰減輸入端進(jìn)來的信號(hào)；而STB起作用時(shí)，是將Vbias偏置電路關(guān)斷，這是音頻電路靜態(tài)時(shí)最耗電的部分，進(jìn)一步降低靜態(tài)電流，減少系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)下的功耗，以延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。對(duì)于AA4002，待機(jī)狀態(tài)下的靜態(tài)電流ICc=0.7uA（Typ.）。

　　由以上的討論可知，單獨(dú)使用STB，由于Vbias的瞬變，難免引起”POP”聲。如果將此兩腳，按一定的順序正確使用，則可以有效地抑制開關(guān)機(jī)噪聲，見圖-14。芯片上電時(shí)，先使MUTE、STB有效，待電源穩(wěn)定后，先釋放STB，再釋放MUTE。當(dāng)?shù)綦姴僮鲿r(shí)，在準(zhǔn)備掉電之前，先使MUTE有效，之后再使STB有效，直到Vdd變?yōu)?V。這是因?yàn)橥ǔUTE操作所引起的”POP”聲要遠(yuǎn)小于STB操作所引起的”POP”聲。


圖-14上電、掉電時(shí)MUTE與STB正確的時(shí)序

圖-14容易產(chǎn)生誤解的是，STB的操作全被MUTE的作用所覆蓋，是不是不需要STB，也可以抑制噪聲呢？是的，不管STB的狀態(tài)，只使用MUTE按照?qǐng)D-14的順序執(zhí)行，的確也可以抑制”POP”聲。需要注意的是，芯片在上電過程中（從0V→Vdd），電源只需要達(dá)到某個(gè)小于Vdd的電壓值，Vbias就會(huì)從0V跳變到1/2Vdd，此時(shí)電源還未穩(wěn)定，Vdd會(huì)通過輸出驅(qū)動(dòng)管對(duì)負(fù)載產(chǎn)生一個(gè)無法預(yù)測(cè)，隨機(jī)的沖擊噪聲。如果此時(shí)Vbias并未建立，仍為0V，這種影響將會(huì)很小，至少圖-14的操作可以抑制電源瞬變沖擊引起的”POP”聲，等電源穩(wěn)定后，Vbias帶來的沖擊也只是從0V→1/2Vdd，而不是0V→Vdd電源跳變引起的。但實(shí)際上市場(chǎng)上有些放大器，輸入端的直流基準(zhǔn)與輸出直流基準(zhǔn)是兩個(gè)獨(dú)立的電壓，STB有效時(shí)，輸出端的Vbias并不跳變。即使MUTE為有效狀態(tài)，而MUTE也只是將輸入端接地，輸出端的Vbias沖擊，仍然會(huì)通過耦合電容Co傳遞到負(fù)載。不管什么情況，從抑制噪聲的角度考慮，我們總是希望輸出端的Vbias是緩慢變化的，最好是保持不動(dòng)，且始終為0V。因此減小POP聲，就是要防止直流瞬變。

　　所以對(duì)于POP噪聲，較難解決的是芯片上電、掉電出現(xiàn)的POP聲。實(shí)際的系統(tǒng)中也的確如此，當(dāng)Vdd沒有之后，可

　　假設(shè)有這樣一個(gè)延時(shí)電路單元，上電后，需要經(jīng)過一段固定的延時(shí)之后，Vbias才開始緩慢上升，直到穩(wěn)定，從低到高上升的延時(shí)時(shí)間為tpLH；當(dāng)芯片掉電時(shí)，則很難使其再延時(shí)一段時(shí)間才開始下降，但是如果將放電等效電阻增大，仍然可以將從高到低下降的延時(shí)tpHL增大，以達(dá)到更好的抑制效果。

公式（3）

公式（4）

　　見圖-15。

圖-15 延時(shí)電路Vbias變化時(shí)序

　　結(jié)論：雖然以上提到了幾種措施，但都不是孤立的，實(shí)際應(yīng)用中碰到的問題，找到產(chǎn)生”POP”聲的主要原因，需要綜合考慮，選擇最有針對(duì)性的、最經(jīng)濟(jì)的解決方法。

　　四、音量控制

　　對(duì)于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的音頻功率放大器，音量控制是一個(gè)非常有用的功能。常見的音量調(diào)節(jié)方法有線性、對(duì)數(shù)兩種方式。下圖，為標(biāo)準(zhǔn)的線性、對(duì)數(shù)衰減曲線，因?yàn)榭v坐標(biāo)為增益，以dB表示，已經(jīng)做過對(duì)數(shù)運(yùn)算，所以左圖為線性衰減，而右圖為對(duì)數(shù)衰減。

圖-16 音量衰減方式：線性（上），對(duì)數(shù)（下）

　　AA4002是通過改變PIN7的直流電平來實(shí)現(xiàn)音量衰減的，圖-17為AA4002實(shí)際音量衰減特性曲線，為分段線性衰減，其中每個(gè)階段的衰減程度略有不同。

圖-17 AA4002音量衰減特性

　　　　　　0dB to -6dB，1dB/step
　　　　　　-6dB to -36dB，2dB/step
　　　　　　-36dB to -47dB，3dB/step
　　　　　　-47db to -51dB，4dB/step
　　　　　　-51dB to -66dB，5dB/step
　　　　　　從-66dB一直到-78dB，12dB/step.

　　結(jié)論，針對(duì)便攜式系統(tǒng)中的音頻功率放大器，BCD目前已經(jīng)Design Release的有兩顆----AA4001、AA4002。這兩顆pin-pin兼容，其中AA4001是一個(gè)1Wx2CHs立體聲功率放大器，AA4002是2Wx2CHs功率放大器，采用TSSOP-28-PAD封裝，底部帶有散熱片。