新一代的高性能低功耗音頻放大器
簡(jiǎn)介：
由于智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)設(shè)備的激增，為了延長(zhǎng)電池壽命，必須降低功耗。迄今為止，重點(diǎn)主要放在處理器上，它是電路板上功耗最大的器件。目前市場(chǎng)對(duì)低功耗音頻產(chǎn)品有新的需求。但移動(dòng)設(shè)備基本上是一種多媒體消費(fèi)類設(shè)備。而在過(guò)去(約20世紀(jì)初)，手機(jī)的主要功能是電話 – 使用音頻信號(hào)路徑的時(shí)間在設(shè)備使用時(shí)間中所占比例非常小。因此，由于音頻信號(hào)路徑對(duì)設(shè)備的整體功耗沒(méi)有很大的影響，所以其功耗并不重要。相比之下，目前平板電腦/智能手機(jī)是音頻/多媒體消費(fèi)(音樂(lè)、電影、廣播、有聲讀物等)的主要設(shè)備，也是驅(qū)動(dòng)低功耗音頻解決方案的市場(chǎng)動(dòng)力。本文將簡(jiǎn)要回顧音頻放大器的歷史和當(dāng)前先進(jìn)的音頻放大器，然后對(duì)新唐科技(Nuvoton)的新一代超低功耗音頻放大器所采用的新穎架構(gòu)和電路技術(shù)進(jìn)行了描述。
發(fā)展現(xiàn)狀:
直到90年代后期，音頻放大器主要采用大家所熟知的EE101 A類、B類和AB類模擬放大器拓?fù)?。特定?yīng)用下，通過(guò)在性能(THD等)、功耗與成本之間進(jìn)行權(quán)衡來(lái)決定工程拓?fù)涞倪x擇。功耗在最低25%(A類)到通過(guò)犧牲性能(AB類)來(lái)實(shí)現(xiàn)的最高78.5%(理論值)的范圍內(nèi)不等。由于終端設(shè)備主要是交流供電(接收器、便攜式立體聲錄放機(jī)、電視)，功耗本身并不是大問(wèn)題。
在90年代中期，多種市場(chǎng)力量融合起來(lái)，對(duì)音頻放大器的功耗提出了更高的要求。對(duì)于大功率終端，家庭影院越來(lái)越流行。若要以低功耗實(shí)現(xiàn)6個(gè)大功率路徑，則需要使用龐大的電源和大型散熱片，并且要考慮與之相關(guān)的成本和外形因素。與此同時(shí)，平板電視首次在市場(chǎng)亮相。這種電視的賣(mài)點(diǎn)是“輕薄”，甚至沒(méi)有空間安裝散熱片來(lái)為過(guò)多的功率進(jìn)行散熱。而且在這十年中，手機(jī)、iPod的問(wèn)世對(duì)電池壽命提出了更高的要求。所有這些市場(chǎng)的發(fā)展都要求音頻放大器具有更低的功耗，而不影響音頻性能。答案就是新一類的放大器 - D類放大器。D類放大器號(hào)稱具有100%的功效理論值和超過(guò)90%的實(shí)際功效。雖然D類拓?fù)湟呀?jīng)問(wèn)世幾十年，其主流應(yīng)用仍需考慮成本、性能和EMI的問(wèn)題，因此僅限于高端低音炮市場(chǎng)。
如下圖1說(shuō)明了10 W放大器的功耗與額定輸出功率的典型曲線。
圖1：AB類和D類的輸出功率與功效的曲線圖(10 W放大器)
不管是為了節(jié)省電量還是實(shí)現(xiàn)更小的外形尺寸，D類所提供的功效都使其成為要求低功耗的市場(chǎng)的首選拓?fù)?。第一代D類技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，使拓?fù)涞囊恍┤秉c(diǎn)和用來(lái)克服這些缺點(diǎn)的新方法成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。
D類放大器拓?fù)?/strong>
最基本的D類放大器拓?fù)洳捎妹}寬調(diào)制(PWM)與三角波(或鋸齒波)振蕩器。圖2展示了半橋D類放大器的簡(jiǎn)化框圖。它包括1個(gè)脈沖寬度調(diào)制器、2個(gè)輸出MOSFET和1個(gè)用于恢復(fù)被放大的音頻信號(hào)的外部低通濾波器。MOSFET交替地與輸出節(jié)點(diǎn)和地連接，可用作電流舵(current-steering)開(kāi)關(guān)。由于輸出晶體管將輸出切換到VDD或地，D類放大器的最終輸出為高頻方波。大多數(shù)D類放大器的開(kāi)關(guān)頻率通常為250 kHz至1 MHz。將輸入音頻信號(hào)比作內(nèi)部生成的三角波振蕩器，通過(guò)輸入音頻信號(hào)來(lái)調(diào)制輸出方波的脈寬。由此產(chǎn)生的方波占空比與輸入信號(hào)的電平成比例。無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，輸出波形的占空比等于50%，與輸入信號(hào)成比例地增大或減小。
圖2：半橋模式下的D類放大器
D類放大器還會(huì)使用全橋輸出級(jí)。全橋電路使用2個(gè)半橋輸出級(jí)，并以差分方式驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這種負(fù)載連接方式通常稱為橋接負(fù)載(BTL)。正如圖3中所示，全橋結(jié)構(gòu)是通過(guò)轉(zhuǎn)換負(fù)載的導(dǎo)通路徑來(lái)工作的。因此負(fù)載電流可以雙向流動(dòng)，無(wú)需負(fù)電源或隔直電容。
圖3：全橋/ BTL模式下的D類放大器
傳統(tǒng)D類放大器的缺點(diǎn)：
1 固定開(kāi)關(guān)損耗使靜態(tài)電流更高，使小功率輸出的功效更低。D類放大器本質(zhì)上是開(kāi)關(guān)電路。在其 基本架構(gòu)下，它們基于對(duì)音頻信號(hào)編碼的模式在ON和OFF之間切換。將開(kāi)關(guān)輸出通過(guò)低通濾波器傳輸至負(fù)載(揚(yáng)聲器)，從而恢復(fù)被放大的音頻信號(hào)。參見(jiàn)上面的圖3。
從理論上講，由于輸出設(shè)備的狀態(tài)不是ON就是OFF，開(kāi)關(guān)不會(huì)使功率下降，所有功率均轉(zhuǎn)移至負(fù)載(功效為100%)。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，開(kāi)關(guān)是由MOSFET和一個(gè)有限電阻(漏源導(dǎo)通電阻)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。漏源導(dǎo)通電阻越低，功效越高。一個(gè)具有橋接配置(半橋)的8 Ω電阻和0.4 Ω漏源導(dǎo)通電阻的典型揚(yáng)聲器可提供約90%的功效。(參見(jiàn)圖2)。然而，低漏源導(dǎo)通電阻意味著更大的移動(dòng)設(shè)備，反之則意味著更高的輸入電容。每次開(kāi)關(guān)時(shí)都需要對(duì)電容進(jìn)行充電/放電，導(dǎo)致更高的開(kāi)關(guān)損耗(此損耗沒(méi)有模擬放大器拓?fù)渲械膿p耗明顯)。更糟的是，從廣義上講，此損耗為“固定損耗”，與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)。事實(shí)上，由于開(kāi)關(guān)放大器即使在沒(méi)有任何信號(hào)的情況下也會(huì)進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因此固定損耗是電源的恒定損耗。實(shí)際上，雖然D類放大器在全功率下的效率為90%，固定損耗會(huì)使小功率下的功效大大降低。這成為實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)問(wèn)題，全功率下不僅僅是正弦波。不同流派的音樂(lè)具有6-10個(gè)波峰因數(shù)，大多數(shù)聽(tīng)到的音都是以小功率發(fā)出，因此降低了放大器的功效。
2 EMI濾波 - D類放大器的一個(gè)眾所周知的缺點(diǎn)是作為開(kāi)關(guān)放大器，它們具有電磁干擾，對(duì)AM頻段和手機(jī)接收產(chǎn)生干擾。目前通過(guò)使用濾波器，以及大功率應(yīng)用中用金屬外殼將輸出開(kāi)關(guān)設(shè)備和輸出濾波器封裝起來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
3 BOM成本 - 傳統(tǒng)的D類架構(gòu)需要低通濾波器來(lái)恢復(fù)被放大的音頻信號(hào)。這會(huì)增加放大器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的BOM成本。許多制造商已經(jīng)取得了最新的進(jìn)展，可提供無(wú)濾波器的D類放大器，但一般都是以降低性能或增加EMI為代價(jià)。
新一代的D類放大器：
新唐科技硅谷研發(fā)中心的工程師率先著手，通過(guò)兩年深入的努力來(lái)解決上節(jié)中所描述的缺點(diǎn)。他們使用全球資源來(lái)調(diào)查各種可能的解決方案來(lái)定義和設(shè)計(jì)新一代的D類放大器。IC框圖如下面的圖6所示。新唐科技推出的新型D類放大器系列，NAU系列，采用了這種技術(shù)和電路的設(shè)計(jì)思路(專利待批)。以下對(duì)新唐科技所采用的解決D類問(wèn)題的創(chuàng)新方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的技術(shù)說(shuō)明：
1 低靜態(tài)電流 – NAU系列可為輸出功率提供超低靜態(tài)電流，樹(shù)立了嶄新的標(biāo)準(zhǔn)。 NAU8223是一款3 W的立體聲D類放大器，具有每通道1.1 mA的靜態(tài)電流。目前，業(yè)內(nèi)的靜態(tài)電流平均為每通道3 mA!
2 出色的EMI性能和無(wú)濾波器架構(gòu) - NAU8223和NAU8224立體聲3 W D類音頻放大器無(wú)需外部輸出濾波器，并提供出色的EMI性能，如下面的圖5所示。新唐科技的D類放大器采用BD調(diào)制(也稱為三元式或無(wú)濾波器調(diào)制)。采用BD調(diào)制時(shí)，2個(gè)揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器輸出的相位正好相互抵消。在BD調(diào)制下，2個(gè)比較器接收相同的載波信號(hào)(同相)，輸入信號(hào)異相。如圖4所示，一個(gè)比較器接收輸入信號(hào)INP，另一個(gè)比較器接收異相信號(hào)INM。兩者都與相同的參考波形VREF進(jìn)行比較。OUTM和OUTP是2個(gè)揚(yáng)聲器輸出，它們以BTL(橋接負(fù)載)配置來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。因此，當(dāng)任一輸入沒(méi)有信號(hào)時(shí)，輸出平均電壓則非常接近于0。當(dāng)信號(hào)在正周期下時(shí)，一個(gè)揚(yáng)聲器輸出的占空比大于50%，另一個(gè)小于50%。當(dāng)輸入信號(hào)在負(fù)周期下時(shí)，輸出的占空比相反。因此，總體而言，在開(kāi)關(guān)操作期間，負(fù)載上的輸出電壓為零，從而降低了輸出電流和功耗。由于開(kāi)關(guān)功耗較低，因此揚(yáng)聲器可用作其本身的LC濾波器，從而無(wú)需額外的LC濾波器。開(kāi)關(guān)頻率元器件仍然存在，但由于其頻率較高，揚(yáng)聲器為其提供非常高的阻抗，并且使其損耗大大降低，并且不被人所聽(tīng)到。
此外，NAU8223和NAU8224具有良好的抗干擾性能和出色的PSRR(頻率為217Hz時(shí)大于85 dB)，是無(wú)線和AM頻段應(yīng)用的理想的D類音頻放大器。
圖4：BD調(diào)制方案波形
圖5：帶30 cm導(dǎo)線的新唐NAU8223/NAU8224立體聲3 W D類射頻發(fā)射
3 防削波(Anti-Clip)控制功能 - 此功能用于控制輸出，以獲得無(wú)失真的最大輸出電平。當(dāng)輸入端加載會(huì)引起削波和失真的較大輸入信號(hào)時(shí)，啟用防削波功能。防削波功能將放大器的增益降低至適當(dāng)值，使差分信號(hào)輸出端上不會(huì)引起削波。防削波功能同時(shí)監(jiān)控電源電壓，以確保不會(huì)由于電源電壓的變化而引起削波。這使音質(zhì)得到顯著的提高，并保護(hù)揚(yáng)聲器不受損壞。
圖6：?jiǎn)温暤?strong>D類放大器
圖7：采用WLCSP封裝的單聲道D類
展望未來(lái)：
隨著移動(dòng)平臺(tái)的迅猛發(fā)展和手機(jī)逐漸成為音頻內(nèi)容的主要傳遞設(shè)備，整個(gè)音頻信號(hào)路徑(不只是放大器)對(duì)低功耗音頻解決方案具有持續(xù)的市場(chǎng)需求，為實(shí)現(xiàn)這些需求的新型半導(dǎo)體解決方案提供了動(dòng)力。
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