基于音頻功率放大器在便攜式系統中的應用及研究分析

對于日益增長的便攜式系統，比如Portable-DVD，PMP，LCD Monitor以及Notebook等，都需要一個音頻功率放大器用來驅動小的揚聲器，這種放大器的輸出功率1W“2W，用來驅動揚聲器（RL=8/4ohm），同時提供50mW”100mW的功率用來驅動耳機（RL=32/16ohm）。在此情況下，BCD開發了自己的便攜式系統中，音頻功率放大器產品。

一、單端（SE）輸出 vs. 橋式（BTL）輸出

輸出結構常見的有兩種，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

在便攜式系統中，常見的直流電源電壓，（+1.8V，+2.5V，+3.3V）通常不會超過+5.0V，如果是單端結構，輸出的峰-峰值電壓Vp-p最大只有5.0V，實際上由于輸出級上、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的負載，輸出功率

=0.63W。所以單端結構，無法輸出2W功率。

如果是BTL輸出結構，Vp-p則可以達到8.0V，有效值

=

=2.828V，加到RL=4ohm的負載，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構。所以單端結構常用來驅動耳機，而BTL結構常用來驅動音箱。見下圖-2 AA4002典型應用原理圖。

圖-2 AA4002典型應用圖

從上圖中，看到在驅動耳機時，還需要有一個較大的電解電容，它的作用是，

①隔斷直流基準電壓Vbias（1/2VCC）。如果沒有隔直，直流電壓會直接流過后面的揚聲器線圈，使紙盆平衡位置偏向一端，Vbias過大甚至損壞線圈。

②耦合交流的音頻信號，它與揚聲器負載構成了一階高通濾波網絡，見圖-1。由經典公式（1）可知，電容值的大小影響低頻處的截止頻率fc有關。

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載，見圖-3。

圖-3 不同耦合電容下的頻響（RL=16ohm）

BTL結構則不需要耦合電容，節約系統成本，節省PCB空間，改善低頻響應。

不僅如此，BTL結構輸出，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對比，通道1（藍色）--負載兩端，通道2（綠色）--電源。這是因為相同的沖擊會同時出現在橋式輸出結構的‘+’、‘-’兩端，通過負載后，會相互抵消，不對揚聲器做功，聽不到”POP”聲，這種結構對于上電、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。在產品規格書中，通常會提供以下圖表，輸出功率 vs.電源電壓，見圖-5，輸出功率vs.負載，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

對于小功率的音箱，由于尺寸的限制，它們的低頻響應通常都很差，而人耳又偏偏對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，它的實現方法是在反饋回路中，通過增加電容，來實現低頻部分的增益大于通帶內的增益，相當于環路系統中增加了一個極點，一個零點，在AA4002的典型應用電路圖中，電容C2、C11就是這樣的電容，見圖-2。

那么它的理想傳遞函數，

公式（x）

極點，

零點，

假設R1=R2=R3=20K，C2=0.068uF，則可以計算出fZERO=234Hz，fPOLE=117Hz，波特圖如下。這個幅度與相位只是對于低音增強這一段，如果是BTL輸出，則增益還會增加一倍（6dB），如果信號從PIN10/12腳輸入，經過兩級反相，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

調整其容值的大小，可以調整增益拐點位置以及增益的大小。圖-9為AA4002實際測到的低音增強特性曲線。

圖-9 AA4002不同容值的低音增強特性曲線

三、POP噪聲

POP噪聲是指，在音頻系統中上電、斷電瞬間，以及上電穩定后，各種操作所帶來的瞬態沖擊，形成的爆破聲。這是用戶所不愿聽到的，系統設計工程師總是想辦法避免它。上面提到的橋式結構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. 對于圖-1所示的單端結構，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在開關機的沖擊情況?？梢钥吹疆擟o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。因此設計工程師需要權衡，做出一個折中的選擇。通常質量好的耳機本身有較好的低頻響應，對于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pin22，Vref，它是內部直流基準電壓，也就是要想內部電路工作，這個偏置電壓必須建立起來。在應用時通常外接一只旁路電解電容對地，起到濾除噪聲的作用。它的電壓值約等于1/2Vdd。增大這個電容的容值，也可以減小“POP”噪聲。當芯片上電或從待機狀態切換到工作狀態時，直流偏置電壓開始建立，從0V逐漸升高，對Vbias濾波電容充電，經過一定的時間建立時間后，電壓上升到1/2Vdd，芯片可以工作，輸出的音頻信號就是基于這個直流電壓上下擺動。同樣當芯片掉電或進入待機狀態時，濾波電容放電，偏置電壓開始下降，從1/2Vdd直到0V。實驗證明，芯片上電、掉電的”POP”聲就是偏置電壓瞬間跳變引起的，圖-11是仿真結果，紅線—Vbias電壓；藍線—單端模式負載端（耦合電容之后，圖-1的左圖，Co=220uF，RL=16ohm）。如果Vbias的跳變緩慢，POP沖擊就會變小，見圖-12。我們看到沖擊幅度下降了，POP聲也就變小了。Vbias上升、下降變緩，即增大基準電壓的跳變延時。假定濾波電容充放電的電流是個常數，把這個過程簡化成一階RC模型。由經典的延時公式（2），從10%→90%所需的時間。

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電壓的上升、下降動作，起到減小”POP”聲的作用。圖-13 是AA4002增大電容后，基準電壓變緩的對比圖。藍線—電源電壓Vdd，綠線—Vbias電壓（假設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，會使芯片的建立時間拉長，給人感覺聲音“久久”沒有輸出。另外電容過大還會使音頻系統的重要指標-諧波失真+噪聲（THD+N）變差，這里不解釋詳細的原因，取值時請參考相應的數據手冊，做出折中的選擇。

3．AA4002還提供了兩個非常有用的功能MUTE、SHUTDOWN。MUTE有效時，作用機制是大大衰減輸入端進來的信號；而STB起作用時，是將Vbias偏置電路關斷，這是音頻電路靜態時最耗電的部分，進一步降低靜態電流，減少系統在待機狀態下的功耗，以延長電池使用時間。對于AA4002，待機狀態下的靜態電流Icc=0.7uA（Typ.）。

由以上的討論可知，單獨使用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機噪聲，見圖-14。芯片上電時，先使MUTE、STB有效，待電源穩定后，先釋放STB，再釋放MUTE。當掉電操作時，在準備掉電之前，先使MUTE有效，之后再使STB有效，直到Vdd變為0V。這是因為通常MUTE操作所引起的”POP”聲要遠小于STB操作所引起的”POP”聲。

圖-14 上電、掉電時MUTE與STB正確的時序

圖-14容易產生誤解的是，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，只使用MUTE按照圖-14的順序執行，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），電源只需要達到某個小于Vdd的電壓值，Vbias就會從0V跳變到1/2Vdd，此時電源還未穩定，Vdd會通過輸出驅動管對負載產生一個無法預測，隨機的沖擊噪聲。如果此時Vbias并未建立，仍為0V，這種影響將會很小，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。但實際上市場上有些放大器，輸入端的直流基準與輸出直流基準是兩個獨立的電壓，STB有效時，輸出端的Vbias并不跳變。即使MUTE為有效狀態，而MUTE也只是將輸入端接地，輸出端的Vbias沖擊，仍然會通過耦合電容Co傳遞到負載。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，且始終為0V。因此減小POP聲，就是要防止直流瞬變。

所以對于POP噪聲，較難解決的是芯片上電、掉電出現的POP聲。實際的系統中也的確如此，當Vdd沒有之后，可能意味著整個系統同時也失去了電源，MCU已經不能工作，I/O狀態失去控制，無法完成圖-14的操作。但是，仍有一些方法可以解決這個難題。

假設有這樣一個延時電路單元，上電后，需要經過一段固定的延時之后，Vbias才開始緩慢上升，直到穩定，從低到高上升的延時時間為tpLH；當芯片掉電時，則很難使其再延時一段時間才開始下降，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tpHL增大，以達到更好的抑制效果。

公式（3）

公式（4）

見圖-15。

圖-15 延時電路Vbias變化時序

結論：雖然以上提到了幾種措施，但都不是孤立的，實際應用中碰到的問題，找到產生”POP”聲的主要原因，需要綜合考慮，選擇最有針對性的、最經濟的解決方法。

四、音量控制

對于驅動揚聲器的音頻功率放大器，音量控制是一個非常有用的功能。常見的音量調節方法有線性、對數兩種方式。下圖，為標準的線性、對數衰減曲線，因為縱坐標為增益，以dB表示，已經做過對數運算，所以左圖為線性衰減，而右圖為對數衰減。

圖-16 音量衰減方式：線性（上），對數（下）

AA4002是通過改變PIN7的直流電平來實現音量衰減的，圖-17為AA4002實際音量衰減特性曲線，為分段線性衰減，其中每個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.

結論，針對便攜式系統中的音頻功率放大器，BCD目前已經Design Release的有兩顆----AA4001、AA4002。這兩顆pin-pin兼容，其中AA4001是一個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。

責任編輯：gt