AB类音频放大器设计谈

音 频 设 计 一 直 是 大 多 数 电 子 工 程 师 热 衷 的 课 题 在 音 频 设 计 中 人 们 对 完 美 的 追 求 远 远 超 过 对 成 本 的 考 虑 然 而 最 简 单 的 电 路 有 时 可 提 供 最 佳 性 价 比 方 案 虽 然 市 场 上 众 多 新 的 低 功 率 扬 声 器 彰 显 出 向 D 类 音 频 性 能 发 展 的 趋 势 但 就 低 成 本 低 失 真 和 低 噪 声 而 言 AB 类 音 频 性 能 仍 然 最 有 竞 争 力 差 分 AB 类 输 出 AB 类 结 构 提 供 的 信 号 与 噪 声 加 失 真 比 可 能 比 D 类 好 达 十 倍 它 的 结 构 更 简 单 输 出 端 无 需 电 抗 滤 波 器 件 输 出 信 号 中 也 不 会 出 现 由 频 率 高 达 几 百 kHz 的 切 换 所 产 生 的 电 磁 辐 射 然 而 AB 类 输 出 级 还 只 是 低 噪 声 和 低 成 本 音 频 放 大 器 结 构 的 一 部 分 另 外 系 统 设 计 还 证 明 若 要 在 低 频 率 下 提 供 良 好 的 音 频 性 能 扬 声 器 必 须 使 用 大 容 量 的 耦 合 电 容 器 即 便 是 有 相 当 高 阻 抗 的 扬 声 器 也 需 要 一 个 几 千 微 法 的 电 容 器 来 提 供 极 低 的 阻 抗 以 获 得 足 够 的 驱 动 AB 类 差 分 输 出 解 决 了 这 一 问 题 它 可 以 直 接 驱 动 扬 声 器 而 不 需 要 采 用 隔 直 流 电 容 另 外 与 传 统 的 单 端 驱 动 相 比 如 果 差 分 输 出 信 号 反 相 负 载 将 获 得 两 倍 的 输 出 电 压 差 分 输 入 级 和 噪 声 性 能 差 分 输 入 级 也 能 为 放 大 器 的 噪 声 性 能 带 来 好 处 噪 声 可 以 从 两 方 面 污 染 信 号 即 地 线 上 的 噪 声 和 耦 合 到 信 号 中 的 噪 声 在 所 有 的 混 合 信 号 音 频 设 计 中 附 近 会 有 一 些 数 字 电 路 通 常 很 难 实 现 两 个 地 平 面 一 个 模 拟 一 个 数 字 的 理 想 布 放 因 此 高 速 数 字 噪 声 会 耦 合 到 模 拟 地 上 从 而 极 大 地 降 低 高 性 能 放 大 器 所 炫 耀 的 信 噪 比 在 高 精 度 模 拟 设 计 中 一 般 都 假 设 地 线 实 际 上 永 远 不 会 达 到 零 伏 在 地 线 上 分 别 存 在 低 频 和 高 频 噪 声 前 者 是 由 流 入 模 拟 器 件 的 电 源 端 的 电 流 所 引 起 而 后 者 则 通 常 由 流 入 数 字 器 件 电 源 端 的 浪 涌 电 流 以 及 信 号 线 和 地 之 间 的 耦 合 噪 声 所 引 起 如 果 输 入 信 号 的 参 考 地 为 噪 声 地 那 么 该 噪 声 将 被 丝 毫 不 差 地 出 现 在 放 大 器 的 输 出 端 除 了 放 大 器 的 地 线 噪 声 外 噪 声 还 可 能 从 周 围 电 路 中 耦 合 到 信 号 中 例 如 手 机 中 的 噪 声 可 能 来 自 射 频 电 路 高 速 数 字 电 路 或 者 几 个 开 关 式 稳 压 器 差 分 输 入 级 克 服 了 地 噪 声 和 信 号 噪 声 而 只 有 需 要 的 信 号 才 被 放 大 如 果 在 PCB 上 输 入 信 号 线 靠 的 很 近 并 相 互 并 行 耦 合 到 输 入 端 的 任 何 噪 声 将 是 共 模 的 因 此 不 会 被 放 大 所 以 在 设 计 优 良 的 差 分 输 入 级 里 输 入 电 路 的 精 确 匹 配 意 味 着 在 每 个 输 入 上 的 任 何 失 真 通 常 都 是 相 同 的 因 而 会 被 差 分 输 入 级 的 差 分 特 性 抵 消 掉 差 分 输 入 输 出 放 大 器 理 论 分 析 图 1 给 出 了 奥 地 利 微 电 子 公 司 的 一 个 1 8W 的 AB 类 差 分 输 入 差 分 输 出 音 频 放 大 器 的 原 理 图 图 1 AB 类 差 分 输 入 差 分 输 出 音 频 放 大 器 原 理 图 分 析 电 路 前 我 们 先 看 看 流 入 差 分 输 入 的 反 向 和 同 向 端 的 电 流 因 为 放 大 器 的 输 入 阻 抗 高 任 何 流 入 RIN1 的 电 流 都 通 过 RF1 并 到 达 输 出 口 同 样 地 任 何 流 入 RIN2 的 电 流 都 通 过 RF2 并 到 达 输 出 口 这 样 就 产 生 以 下 公 式 因 此 同 样 地 因 此 当 放 大 器 处 于 线 性 模 式 时 V V 如 果 RF1 RF2 RF 且 RIN1 RIN2 RIN 则 V V 最 终 成 立 换 言 之 输 出 口 的 差 分 信 号 等 同 于 输 入 口 的 差 分 信 号 乘 以 反 馈 电 阻 器 与 输 入 电 阻 器 之 比 这 与 传 统 的 运 算 放 大 器 没 有 什 么 不 同 设 计 实 用 的 东 西 有 了 真 实 的 电 路 应 用 指 南 才 会 完 整 该 所 选 电 路 是 一 个 低 音 增 强 放 大 器 其 输 入 来 自 传 统 的 MP3 芯 片 集 即 奥 地 利 微 电 子 公 司 的 AS3525 单 芯 片 MP3 播 放 器 通 过 放 大 低 于 100Hz 的 频 率 来 从 一 定 程 度 上 提 升 低 音 并 为 电 脑 扬 声 器 提 供 足 够 的 驱 动 很 多 人 拥 有 MP3 播 放 器 和 带 扬 声 器 的 电 脑 因 此 设 计 融 合 这 二 者 的 电 路 使 用 户 能 够 通 过 现 有 的 电 脑 扬 声 器 听 MP3 音 频 不 失 为 明 智 之 举 该 放 大 器 是 围 绕 AS1702 1 8W 音 频 放 大 器 来 实 现 的 图 2 所 显 示 的 是 最 终 的 放 大 器 电 路 图 图 2 用 AS1702 实 现 的 最 终 放 大 器 电 路 图 反 馈 电 阻 器 RF1 被 由 Cs 和 Rs 构 成 的 随 频 率 变 化 的 电 路 所 旁 路 在 低 频 段 Cs 为 高 阻 抗 则 增 益 被 简 化 为 随 频 率 的 增 加 Cs 与 RF1 并 联 提 供 低 阻 抗 来 降 低 增 益 串 联 电 阻 器 Rs 提 供 一 个 增 益 进 入 稳 定 区 的 零 点 并 最 终 在 高 频 段 提 供 单 位 增 益 另 一 个 差 分 输 入 上 的 反 馈 网 络 同 上 电 路 的 增 益 正 比 于 分 母 等 于 0 对 应 着 频 率 开 始 衰 减 的 起 点 而 分 子 等 于 0 时 则 增 益 进 入 稳 定 的 增 益 1 选 取 Cs 5nF Rs 100k RF1 300k RIN 75k 则 频 率 为 80Hz 时 开 始 衰 减 318Hz 时 稳 定 下 来 图 3 是 理 论 衰 减 特 性 不 过 Excel 不 能 计 算 相 位 图 4 是 实 际 得 到 的 结 果 图 图 3 低 频 放 大 器 的 理 论 衰 减 特 性 图 4 用 AS3525 实 现 的 音 频 放 大 器 的 频 率 响 应 实 测 结 果 实 际 收 听 测 试 表 明 该 电 路 确 实 增 强 了 低 音 并 提 供 了 良 好 的 性 能 为 给 低 音 增 强 一 个 更 高 的 带 宽 把 串 联 电 容 器 从 5nF 变 到 2nF 以 使 衰 减 频 率 结 束 点 减 小 到 200Hz 电 路 由 标 准 容 差 为 2 的 电 阻 器 和 容 差 为 10 的 电 容 器 构 成 用 一 个 惠 普 HP339A 失 真 仪 来 测 量 失 真 观 察 如 图 5 所 示 的 低 音 放 大 器 的 失 真 表 明 就 所 使 用 的 元 器 件 而 言 这 种 方 式 可 用 于 许 多 手 持 式 音 频 设 备 由 于 失 真 与 反 馈 元 件 的 匹 配 直 接 相 关 那 么 这 些 元 件 的 选 择 在 设 计 预 算 许 可 的 情 况 下 应 尽 可 能 精 确 图 5 低 音 放 大 器 的 失 真 实 测 结 果 图 6 平 衡 改 变 周 边 元 器 件 对 失 真 的 影 响 不 大 证 明 失 真 主 要 是 AS1702 内 部 所 引 起 作 为 一 个 试 验 把 串 联 反 馈 电 容 器 Cs 短 路 来 看 看 所 产 生 的 结 果 很 有 趣 因 为 它 相 当 一 个 很 大 的 容 差 所 以 可 能 想 象 会 在 很 大 程 度 上 增 加 失 真 其 结 果 如 图 6 所 示 但 比 较 图 5 和 图 6 我 们 可 以 发 现 电 容 器 虽 然 增 加 了 衰 减 频 率 上 的 失 真 但 在 音 频 波 段 的 大 部 分 频 率 上 两 种 情 况 下 的 失 真 都 维 持 在 0 7 以 下 于 是 我 们 决 定 用 一 个 精 密 的 电 阻 器 网 络 在 AS1702 周 围 进 行 一 些 单 点 测 量 所 使 用 的 是 Vishay ORNA2 1 电 阻 器 网 络 它 由 两 个 10k 和 两 个 5k 电 阻 器 组 成 两 者 的 误 差 均 为 0 05 测 量 结 果 与 图 6 所 示 差 别 不 大 这 说 明 图 6 所 示 的 失 真 主 要 是 由 AS1702 内 部 的 失 真 导 致 而 不 是 由 周 围 的 电 阻 器 组 造 成 的 串 联 电 容 器 此 时 仍 旧 处 于 短 路 状 态 为 进 一 步 证 明 两 个 反 馈 电 阻 器 和 两 个 输 入 电 阻 器 相 互 间 需 要 保 持 一 个 接 近 的 容 差 我 们 将 一 个 680k 电 阻 器 与 一 个 300k 反 馈 电 阻 器 即 RF1 平 行 放 置 然 后 重 新 进 行 上 述 的 单 点 失 真 测 量 当 频 率 在 10Hz 时 失 真 为 1 5 频 率 在 30Hz 时 失 真 为 1 35 而 频 率 在 100Hz1kHz 之 间 时 失 真 为 1 2 与 图 6 所 示 的 0 06 失 真 相 比 上 述 理 论 得 到 验 证 即 为 获 得 最 佳 性 能 各 个 反 馈 电 阻 器 实 际 上 必 须 相 同 本 文 小 结 总 之 从 以 上 我 们 可 以 看 到 就 计 算 增 益 的 等 式 而 言 差 分 输 入 输 出 放 大 器 与 传 统 的 单 端 运 算 放 大 器 相 似 同 时 为 获 得 最 佳 性 能 两 个 输 入 电 阻 器 和 两 个 反 馈 电 阻 器 必 须 尽 可 能 相 似 但 是 使 用 容 差 为 2 的 电 阻 器 的 效 果 表 明 在 测 量 失 真 时 电 路 却 相 当 宽 容