改善平板顯示器的音頻性能

引言

　　音頻功率放大器 (APA) 技術的最新發(fā)展進一步提高了平板顯示器的音質，使之具有了與其優(yōu)質圖像質量相稱的音響效果。隨著液晶電視、液晶顯示器以及等離子電視屏幕的尺寸不斷增大，音頻性能必須隨之相應提高。散熱與功耗是傳統(tǒng)AB類、或線性APA本身所固有的問題，這妨礙其難以成為最新平板顯示器的良好解決方案。

　　由于線性放大器的效率低下，平板顯示器業(yè)轉而采用D類APA作為音頻解決方案。D類APA的操作熱量更低，消耗的功率也少得多。采用D類APA的設計人員能夠進一步提高其應用的音頻功率性能，同時又不會增加熱量與功耗，從而可以保持體積較小的變壓器與穩(wěn)壓器，并消除了采用散熱片的必要。事實上，D類APA甚至可以在增強功率性能的同時還能降低熱量與功耗。

　　為了最大化D類APA的性能，我們只需遵循有關文檔詳細要求的布局及測試程序即可。德州儀器 (TI) 的應用手冊提供了全部所需內容，本文也將提及有關內容。

線性APA的問題

　　線性APA由于電源通過線性放大器的輸出級晶體管產生的壓降而導致其自身效率低下 [1]。事實上，大多數情況下，其消耗的功率比所提供給喇叭的功率還要高。線性放大器之所以效率不高，原因在于電源通過線性放大器的輸出級晶體管產生的壓降 [1]。當線性放大器的輸出電壓信號與電源電壓不相等時，放大器會出現內部功率損失。當放大器的輸出電壓信號與電源電壓相等時，放大器又會產生失真，因為電壓信號被電源軌剪切了，請參見圖一。

圖一、10-V、1-kHz正弦波剪切電源軌

　　剪切造成的失真影響聽覺享受，通常應當避免。因此，總會有從電壓至輸出電壓信號的內部壓降。壓降值由電源電壓 (VDD) 減去輸出電壓的RMS值獲得。壓降乘以平均電源電流IDD(avg)　就得到線性放大器的內部功耗。壓降越大，放大器的效率就越低。計算差動輸出線性放大器的簡單方程式如下：

h = (p*sqrt(2*P_L*R_L))/(4*VDD)(1)

其中，

P_L = 喇叭獲得的功率
R_L = 喇叭電阻
VDD = 電源電壓

　　從方程式1中，從12-V電源向8-ohm 喇叭提供3 W 功率的線性放大器的效率僅為45%，也就是說，立體聲解決方案的總功耗為13.3 W。一般17英寸LCD監(jiān)視器（它還需要一個3 W放大器）的總功耗為90 W。在該例中，線性放大器可消耗提供給LCD監(jiān)視器總功率的近15%。此外，放大器還散發(fā)7.3 W的熱量，這就要求采用較大的散熱片。

D類APA如何解決線性放大器的問題

　　與線性APA不同，D類APA的效率不取決于PL或VDD。從理論上講，D類APA的效率達100%，因為D類輸出晶體管是作為快速開啟與關閉的開關而發(fā)揮作用的。當晶體管開啟時，輸出電壓等于輸入電壓 (supply voltage)。如果晶體管是完全在理想狀況下的，那么就不會出現壓降，乘以平均電源電流時也就不會導致功率消耗。此外，當晶體管關閉時，它們則成為開放的電路，無電流通過該電路，因此相應也就沒有功耗。圖二顯示了D類APA--TPA3004D2的輸出波形圖。

圖二、TPA3004D2、12-W立體聲D類APA輸出波形圖

不過，非理想狀態(tài)的晶體管在開啟時并非短路。因此，D類效率主要由輸出晶體管的導通電阻rds(on) 決定。計算D類放大器的簡單方程式如下 [2]：

h = (R_L/(R_L + r_ds(on))) x 100% (2)

　　應用前面決定線性放大器效率為45% 時相同的操作條件，且假定r_ds(on) 為0.58 ohm，這時得到D類的效率為93%。但是，隨著器件進入穩(wěn)定的操作狀態(tài)而升溫，且r_ds(on) 也隨之升高，我們以 87% 作為效率值以對其進行更準確的反映。與線性放大器消耗的13 W相比，D類放大器的總功耗僅為6.8 W。由于功耗降低了48%，因此設計人員可采用更小的變壓器與穩(wěn)壓器。此外，相比于線性放大器高達7.3 W 的功耗，D類功耗僅為0.8 W，因此并不要求采用散熱片。

　　250-kHz 的開關頻率對音頻信號進行最低 10 倍采樣，從而確保了音頻的高質量，與如今采用線性放大器的應用相當或優(yōu)于目前應用水平。圖二給出的高頻PWM輸出波形帶有音頻信號。喇叭作為僅復制音頻頻率的低通濾波器發(fā)揮作用。在大多數應用中，在喇叭之前還要求進行最小過濾以減小EMI。

用于平板顯示器的新型D類APA解決方案

　　為了滿足各種平板顯示器尺寸的需求，目前有幾種新型的D類APA可供選擇，請參見圖三。當為平板顯示選擇APA時，輸出功率是應當考慮的主要規(guī)范。平板顯示器越大，所要求APA的輸出功率也就越大，因為最終用戶觀看屏幕內容時距離屏幕的距離會加大。

圖三、平板顯示器的 D 類音頻功率放大器

　　圖三顯示的所有立體聲D類APA均采用48引腳四方扁平表面貼裝封裝，且彼此引腳排列布局是相互兼容的。單聲道TPA3001D1采用24引腳的TSSOP封裝，最大尺寸僅為6.6mm x 7.9mm。與此相當的線性放大器采用通孔單排封裝 (through-hole single in-line package) 或雙排封裝 (dual in-line package)，并且它們要求手工組裝，尺寸也不理想，為19.6mm x 22.5mm，大出8.5倍之多。此外，它們還要求采用散熱片。

　　TPA3004D2與TPA3002D2提供的特性包括集成的反移植電路系統(tǒng) (depop circuitry)、DC音量控制、關斷控制以及立體聲耳機驅動程序的直連輸出等。TPA3001D1、TPA3008D2以及TPA3005D2以四個集成的固定增益設置代替DC音量控制，以消除外部反饋與輸入電阻。最后，TPA3003D2還提供了低功率立體聲D類備選方案，該方案除不具備立體聲耳機放大器直連輸出之外，擁有TPA3002D2的所有特性。

　　所有D類放大器采用全差動輸入級與橋接輸出級，在最大化輸出功率的同時還能最小化噪聲。

如何采用D類APA進行設計工作

本部分將全篇幅引用TI的兩本應用手冊：《TPA300x系列部件布局指南》[3] 以及《測量音頻功率放大器性能指南》[4]。

優(yōu)化TPA3000D 放大器的性能時，必須將如下五大布局因素納入考慮范圍：

1. 利用開關電流最小化跟蹤環(huán) (trace loop)，并用開關電壓最小化大面積的鍍銅區(qū)域。近場磁噪聲 (Near-field magnetic noise) 由引導開關電流的大跟蹤環(huán)造成。電場噪聲由具有開關電壓的、大的表面區(qū)域造成；
   
2. 輸入跟蹤的線路與輸出跟蹤分開，從而可最小化來自輸出的所有輸入噪聲耦合；
   
3. 僅將輸出功率接地及信號接地連接至PowerPAD™。如連接信號接地時未連至PowerPAD，而連接到了其他地方，則輸出功率接地的噪聲會降低音頻性能。將PowerPAD連接至主去藕電容器或電源；
   
4. 必須將PowerPAD焊接至印刷電路板 (PCB)，以確保適當的散熱性能與最佳的可靠性 [5]；
   
5. 使所有外部組件盡可能靠近IC。組件彼此靠近的放置安排有助于確保最小化的跟蹤環(huán)及表面面積。

《TPA300x系列部件布局指南》[3] 進一步細致地解釋了上述各個考慮因素。評估模塊 (EVM) 也為適當的布局提供了一個很好的實例。TI 可為所有已推出的音頻功率放大器提供包括PCB布局、示意圖以及材料清單等在內的交鑰匙EVM與用戶指南。

測試D類放大器的性能并不困難，但常常要求低通濾波器，因為許多分析儀輸出都不能準確地處理快速改變的PWM輸出。圖四顯示了如何將頻率發(fā)生器連接至D類APA，以及如何在APA與分析儀之間連接低通RC過濾器。

圖四、差動輸入--BTL輸出測量電路。

低通RC過濾器對測量準確性的影響很小，因為截止頻率 (cutoff frequency) 設在20 Hz到20 kHz的音頻帶之上。利用表一中RFILT與CFILT的建議值，截止頻率為 34 kHz。

為了獲取準確的效率測量數據，R_FILT必須以10進制遞增，以減小過濾器分流的電流。為了保持截止頻率不變，C_FILT必須也以10進制減小。

遵循以下五大規(guī)則，有助于獲得準確的測試結果。

1. 使用平衡的來源提供輸入信號；
   
2. 使用具備平衡輸入的分析儀；
   
3. 所有連接均使用雙絞線；
   
4. 當系統(tǒng)環(huán)境噪聲較重時使用屏蔽功能；
   
5. 確保與APA相連的電源線纜以及從APA到負載的線纜均能夠處理大電流。有關詳情，敬請參見《測量音頻功率放大器性能指南》中的表1[4]。

結論與隨后步驟

D類技術為需要音頻功能的平板顯示器提供了最佳的音頻功率放大器解決方案。放大器的高效操作能夠最大程度地散熱，從而無需散熱片，這也減小了總功耗，因此有助于減小變壓器與穩(wěn)壓器的尺寸和成本。

為了快速了解更多有關D類音頻功率放大器的信息，您可以：

1. 從TI的網址www.ti.com 上下載TPA3001D1、TPA3003D2、TPA3002D2及TPA3004D2數據表；
   
2. 從以下網址訂購符合表三平板顯示器尺寸的、D類放大器的 EVM： http://focus.ti.com/docs/tool/list.jhtml?familyId=20toolTypeId=6
   
3. 從TI網站下載所選EVM的用戶指南，其包括了示意圖、布局、材料清單等信息。

參考書目：

[1] TPA6211A1 3.1-W單聲道全差動音頻功率放大器數據表，德州儀器2003年9月，資料號SLOS367A；
[2] TPA3004D2 12-W帶有DC音量控制數據表的立體聲D類音頻功率放大器，德州儀器2003年8月，資料號SLOS407B。
[3] TPA300x系列部件布局指南，德州儀器2003年7月，資料號SLOA103；
[4] 測量音頻放大器性能的指南，德州儀器2001年10月，資料號SLOA068；
[5] PowerPAD散熱增強型封裝應用報告，德州儀器1997年12月，資料號SLMA002。

作者介紹
Eric L. Droge于1996年自堪薩斯州立大學 (Kansas State University) 獲得電子工程理學士學位，隨后就職于TI。在TI的高性能模擬部門，Droge身兼產品市場營銷工作的數個角色。目前，Droge 先生現任全球音頻功率放大器市場營銷經理。Droge 先生到遠東與世界其他地區(qū)出差時，喜歡結識新朋友和拜訪老朋友。工作之余他還愛好徒步旅行、野營及劃船。