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便携式系统音频功率放大器解决方案音频视频

2019-02-28 02:09:36

便携式系统音频功率放大器解决方案 - 音频/视频/显示 - 电子工程

对于日益增长的便携式系统,比如Portable-DVD,PMP,LCD Monitor以及Notebook等,都需要一个音频功率放大器用来驱动小的扬声器,这种放大器的输出功率1W 2W,用来驱动扬声器(RL=8/4ohm),同时提供50mW 100mW的功率用来驱动耳机(RL=32/16ohm)。在此情况下,BCD开发了自己的便携式系统中,音频功率放大器产品。

一、单端(SE)输出 vs. 桥式(BTL)输出

输出结构常见的有两种,SE(Single-ended)模式与BTL(Bridge-Tied-Load)模式,见下图-1。

图-1 单端模式与桥式模式

在便携式系统中,常见的直流电源电压,(+1.8V,+2.5V,+3.3V)通常不会超过+5.0V,如果是单端结构,输出的峰-峰值电压Vp-p只有5.0V,实际上由于输出级上、下管子的饱和压降,在没有被削波的前提下,Vp-p只有4.5V左右,这样有效值

=

=1.59V,全部加到RL=4ohm的负载,输出功率

=0.63W。所以单端结构,无法输出2W功率。

如果是BTL输出结构,Vp-p则可以达到8.0V,有效值

=

=2.828V,加到RL=4ohm的负载,输出功率

=2.0W。

因此要在VCC=5.0V条件下输出2W左右的功率,只能采用桥式输出结构。所以单端结构常用来驱动耳机,而BTL结构常用来驱动音箱。见下图-2 AA4002典型应用原理图。

图-2 AA4002典型应用图

从上图中,看到在驱动耳机时,还需要有一个较大的电解电容,它的作用是,

①隔断直流基准电压Vbias(1/2VCC)。如果没有隔直,直流电压会直接流过后面的扬声器线圈,使纸盆平衡位置偏向一端,Vbias过大甚至损坏线圈。

②耦合交流的音频信号,它与扬声器负载构成了一阶高通滤波络,见图-1。由经典公式(1)可知,电容值的大小影响低频处的截止频率fc有关。

公式(1)

电容Co越大,截止频率fc越低,意味着更低的频率可以耦合到负载,见图-3。

图-3 不同耦合电容下的频响(RL=16ohm)

BTL结构则不需要耦合电容,节约系统成本,节省PCB空间,改善低频响应。

不仅如此,BTL结构输出,它能有效地抑制共模噪声。在相同的输出功率条件下,桥式模式的噪声明显小于单端模式下的噪声,见下图-4对比,通道1(蓝色)--负载两端,通道2(绿色)--电源。这是因为相同的冲击会同时出现在桥式输出结构的‘+’、‘-’两端,通过负载后,会相互抵消,不对扬声器做功,听不到”POP”声,这种结构对于上电、掉电噪声,操作噪声都有很好的抑制。

图-4 桥式模式与单端模式输出的”POP”噪声

实际上,讲输出功率是多少,通常需要指定条件,比如电源电压[VCC],输出负载[RL],谐波失真[THD+N]。只有这些条件确定之后,输出功率才有意义。在产品规格书中,通常会提供以下图表,输出功率 vs.电源电压,见图-5,输出功率vs.负载,图-6,以及输出功率vs.谐波失真+噪声,图-7。

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

图-6 AA4002 Output Power vs. Load Resistor

图-7 AA4002 THD+N vs. Output Power

二、低音增强

对于小功率的音箱,由于尺寸的限制,它们的低频响应通常都很差,而人耳又偏偏对于低频的音乐反映不敏感。有必要在电子线路上想办法,解决这一问题。低音增强,它的实现方法是在反馈回路中,通过增加电容,来实现低频部分的增益大于通带内的增益,相当于环路系统中增加了一个极点,一个零点,在AA4002的典型应用电路图中,电容C2、C11就是这样的电容,见图-2。

那么它的理想传递函数,

公式(x)

极点,

零点,

假设R1=R2=R3=20K,C2=0.068uF,则可以计算出fZERO=234Hz,fPOLE=117Hz,波特图如下。这个幅度与相位只是对于低音增强这一段,如果是BTL输出,则增益还会增加一倍(6dB),如果信号从PIN10/12脚输入,经过两级反相,则输出端、输入端的相位差接近0DEG,具体可以参考AA4002 Design tools。

图-8 Bass boost部分幅度与相位曲线

调整其容值的大小,可以调整增益拐点位置以及增益的大小。图-9为AA4002实际测到的低音增强特性曲线。

图-9 AA4002不同容值的低音增强特性曲线

三、POP噪声

POP噪声是指,在音频系统中上电、断电瞬间,以及上电稳定后,各种操作所带来的瞬态冲击,形成的爆破声。这是用户所不愿听到的,系统设计工程师总是想办法避免它。上面提到的桥式结构就可以有效的抑制这种POP噪声。除此之外,还有其他一些常用的方法。

1. 对于图-1所示的单端结构,减小Co的容值可以使“POP”冲击幅度变小,冲击脉冲宽度变窄,其频谱中的能量大都在高频,同样可以减小可闻噪声。在图-10中,电容Co分别为10uF、47uF、100uF、220uF在开关机的冲击情况。可以看到当Co减小到一定值后,再减小其值所带来的噪声抑制效果就很小,但是根据公式(1)由于电容值的减小所带来的截止频率fc的升高确是明显的,见上面图-2。因此设计工程师需要权衡,做出一个折中的选择。通常质量好的耳机本身有较好的低频响应,对于AA4002,推荐选用100uF的耦合电容。

图-10 不同耦合电容下的”POP”声冲击

2.另外AA4002有一个pin22,Vref,它是内部直流基准电压,也就是要想内部电路工作,这个偏置电压必须建立起来。在应用时通常外接一只旁路电解电容对地,起到滤除噪声的作用。它的电压值约等于1/2Vdd。增大这个电容的容值,也可以减小“POP”噪声。当芯片上电或从待机状态切换到工作状态时,直流偏置电压开始建立,从0V逐渐升高,对Vbias滤波电容充电,经过一定的时间建立时间后,电压上升到1/2Vdd,芯片可以工作,输出的音频信号就是基于这个直流电压上下摆动。同样当芯片掉电或进入待机状态时,滤波电容放电,偏置电压开始下降,从1/2Vdd直到0V。实验证明,芯片上电、掉电的”POP”声就是偏置电压瞬间跳变引起的,图-11是仿真结果,红线—Vbias电压;蓝线—单端模式负载端(耦合电容之后,图-1的左图,Co=220uF,RL=16ohm)。如果Vbias的跳变缓慢,POP冲击就会变小,见图-12。我们看到冲击幅度下降了,POP声也就变小了。Vbias上升、下降变缓,即增大基准电压的跳变延时。假定滤波电容充放电的电流是个常数,把这个过程简化成一阶RC模型。由经典的延时公式(2),从10%→90%所需的时间。

公式(2)

图-11 单端模式”POP”噪声与Vbias电压

图-12 Vbias变缓后的”POP”噪声

因此增大Vbias滤波电容可以减缓直流基准电压的上升、下降动作,起到减小”POP”声的作用。图-13 是AA4002增大电容后,基准电压变缓的对比图。蓝线—电源电压Vdd,绿线—Vbias电压(假设Vdd=5.0V,Vbias=2.5V)。

图-13 不同旁路电容下的Vbias电压变化 (上图,Cbias=1.0uF. 下图,Cbias=2.2uF)

需要注意的是,此滤波电容过大,会使芯片的建立时间拉长,给人感觉声音“久久”没有输出。另外电容过大还会使音频系统的重要指标-谐波失真+噪声(THD+N)变差,这里不解释详细的原因,取值时请参考相应的数据手册,做出折中的选择。

3.AA4002还提供了两个非常有用的功能MUTE、SHUTDOWN。MUTE有效时,作用机制是大大衰减输入端进来的信号;而STB起作用时,是将Vbias偏置电路关断,这是音频电路静态时耗电的部分,进一步降低静态电流,减少系统在待机状态下的功耗,以延长电池使用时间。对于AA4002,待机状态下的静态电流Icc=0.7uA(Typ.)。

由以上的讨论可知,单独使用STB,由于Vbias的瞬变,难免引起”POP”声。如果将此两脚,按一定的顺序正确使用,则可以有效地抑制开关机噪声,见图-14。芯片上电时,先使MUTE、STB有效,待电源稳定后,先释放STB,再释放MUTE。当掉电操作时,在准备掉电之前,先使MUTE有效,之后再使STB有效,直到Vdd变为0V。这是因为通常MUTE操作所引起的”POP”声要远小于STB操作所引起的”POP”声。

图-14 上电、掉电时MUTE与STB正确的时序

图-14容易产生误解的是,STB的操作全被MUTE的作用所覆盖,是不是不需要STB,也可以抑制噪声呢?是的,不管STB的状态,只使用MUTE按照图-14的顺序执行,的确也可以抑制”POP”声。需要注意的是,芯片在上电过程中(从0V→Vdd),电源只需要达到某个小于Vdd的电压值,Vbias就会从0V跳变到1/2Vdd,此时电源还未稳定,Vdd会通过输出驱动管对负载产生一个无法预测,随机的冲击噪声。如果此时Vbias并未建立,仍为0V,这种影响将会很小,至少图-14的操作可以抑制电源瞬变冲击引起的”POP”声,等电源稳定后,Vbias带来的冲击也只是从0V→1/2Vdd,而不是0V→Vdd电源跳变引起的。但实际上市场上有些放大器,输入端的直流基准与输出直流基准是两个独立的电压,STB有效时,输出端的Vbias并不跳变。即使MUTE为有效状态,而MUTE也只是将输入端接地,输出端的Vbias冲击,仍然会通过耦合电容Co传递到负载。不管什么情况,从抑制噪声的角度考虑,我们总是希望输出端的Vbias是缓慢变化的,是保持不动,且始终为0V。因此减小POP声,就是要防止直流瞬变。

所以对于POP噪声,较难解决的是芯片上电、掉电出现的POP声。实际的系统中也的确如此,当Vdd没有之后,可能意味着整个系统同时也失去了电源,MCU已经不能工作,I/O状态失去控制,无法完成图-14的操作。但是,仍有一些方法可以解决这个难题。

假设有这样一个延时电路单元,上电后,需要经过一段固定的延时之后,Vbias才开始缓慢上升,直到稳定,从低到高上升的延时时间为tpLH;当芯片掉电时,则很难使其再延时一段时间才开始下降,但是如果将放电等效电阻增大,仍然可以将从高到低下降的延时tpHL增大,以达到更好的抑制效果。

公式(3)

公式(4)

见图-15。

图-15 延时电路Vbias变化时序

结论:虽然以上提到了几种措施,但都不是孤立的,实际应用中碰到的问题,找到产生”POP”声的主要原因,需要综合考虑,选择有针对性的、经济的解决方法。

四、音量控制

对于驱动扬声器的音频功率放大器,音量控制是一个非常有用的功能。常见的音量调节方法有线性、对数两种方式。下图,为标准的线性、对数衰减曲线,因为纵坐标为增益,以dB表示,已经做过对数运算,所以左图为线性衰减,而右图为对数衰减。

图-16 音量衰减方式:线性(上),对数(下)

AA4002是通过改变PIN7的直流电平来实现音量衰减的,图-17为AA4002实际音量衰减特性曲线,为分段线性衰减,其中每个阶段的衰减程度略有不同。

图-17 AA4002音量衰减特性

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

从-66dB一直到-78dB,12dB/step.

结论,针对便携式系统中的音频功率放大器,BCD目前已经Design Release的有两颗----AA4001、AA4002。这两颗pin-pin兼容,其中AA4001是一个1Wx2CHs立体声功率放大器,AA4002是2Wx2CHs功率放大器,采用TSSOP-28-PAD封装,底部带有散热片。

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