设计指南5590

如何选择最适合应用的音频放大器

Robert Nicoletti, 应用工程师

摘要:随着音频市场需求的不断变化,音频放大器设计结构已经取得了很大进步。在选择适合具体应用的最佳音频放大器IC时,了解可用的音频放大器类型及其特征至关重要。

引言

音频放大器将小信号的幅值提高至有用电平,同时保留小信号的细节,这称为线性度。放大器的线性度越好,输出信号越能真实地表示输入信号。

随着音频市场对放大器性能需求的不断变化,音频放大器电路结构已经取得了很大进步。所以,设计者必须了解可选用的音频放大器类型及其特点。这是确保选择最佳音频放大器的唯一方法。本文中,我们介绍当今可用的各种音频放大器的最重要特点:A类、B类、AB类、D类、G类、DG类和H类。

A类放大器

最简单的音频放大器为A类放大器。A类放大器具有导通的输出晶体管(图1),与输出信号波形无关。A类音频放大器的线性度最好,但效率较低。这类放大器用于要求高线性度并且可用功率能满足要求的应用。

A类音频放大器通常具有高线性度,但效率较低
图1. A类音频放大器通常具有高线性度,但效率较低。

B类放大器

B类放大器采用推挽式放大器结构。B类放大器的输出采用正向和反向晶体管。为复现输入信号,每个晶体管仅在信号波形的半周期(180°)期间导通(图2)。这允许放大器在空闲时为零电流,因此比A类放大器的效率高。

B类放大器是一种折衷:效率提高,音频质量下降。这是因为存在一个交越点,两个晶体管都从导通状态跳变为关断状态。众所周知,B类音频放大器在处理低电平信号时存在交越失真,不适合低功率应用。

B类音频放大器
图2 .B类音频放大器中,输出晶体管仅在信号波形的半周期(180°)期间导通。为放大整个信号,使用两个晶体管,其中一个在正向输出信号导通,另一个在负向输出信号导通。

AB类放大器

介于A类和B类放大器结构之间的是AB音频放大器。AB类放大器具有A类放大器结构的音质,同时具有B类放大器的效率。这种性能是采用以下方法实现的:将两个晶体管偏置到导通接近于零的信号输出,即B类放大器开始呈现非线性的点(图3)。对于小信号,两个晶体管均导通,作用相当于A类放大器;对于大信号偏移,每半个波形周期内只有一个晶体管导通,因此像B类放大器一样工作。

AB类扬声器放大器具有高信噪比(SNR)、低THD+N,典型效率高达65%,使其成为高保真扬声器驱动器的理想选择。MAX98309MAX98310等AB类放大器被广泛用于便携式媒体播放器、数码相机、平板电脑和电子书阅读器等必须保证高保真的设备。有些耳机放大器采用BTL配置的AB类放大器结构。例如,MAX97220A耳机放大器在整个音频频率内具有优异的低THD+N性能,同时输出高达125mW的功率。MAX97220A是当今世界上应用最广泛的AB类耳机放大器之一。更多示例请参考Maxim的 AB类放大器

AB类放大器
图3. AB类放大器将两个晶体管偏置,使其在信号接近零时能够导通。所以这类放大器的效率比A类放大器高,失真比B类放大器小。

D类放大器

智能手机、MP3播放器和便携式扩展坞等手持移动音频设备的普及将功耗问题推上了风口浪尖。现在,必须通过降低功耗来延长电池寿命。D类放大器利用脉宽调制(PWM)产生满摆幅数字输出信号,利用占空比的变化表示模拟输入信号(图4)。由于输出晶体管在工作期间要么完全导通,要么完全关闭,所以这些放大器的效率较高(往往高达90%或更高)。该方法完全避免了使用晶体管的线性区域,而晶体管线形区正是造成其它类型放大器效率较低的原因。现代的D类放大器的保真度也可媲美AB类放大器。由于D类开关放大器具有较高效率,例如MAX98304MAX98400A,所以被广泛用于便携式应用。更多示例请参考Maxim的D类放大器

D类音频放大器
图4. D类音频放大器输出开关波形,频率远高于需要复现的最高音频信号频率。由于输出晶体管在工作期间要么完全导通,要么完全关闭,所以这些放大器的效率较高。

G类放大器

G类放大器与AB类放大器类似,但使用两路或多路供电电压。G类放大器工作在低信号电平时,选择低电源电压。当信号电平升高时,这些放大器自动选择相应的电源电压(图5)。G类放大器仅在必要时使用最高电源电压,而AB类放大器始终使用最高电源电压,所以G类放大器的效率高于AB类放大器。

便携式音频应用中有一个常见的问题:可供扬声器放大器使用的电源电压是有限的。G类功率放大器利用电荷泵将电源升压,从而解决了电源电压问题。例如,MAX9730扬声器放大器为传统的动态扬声器进行优化,而MAX9788扬声器放大器设计用于陶瓷扬声器。更多示例请参考Maxim的G类放大器

G类放大器
图5. G类放大器仅在必要时使用最高电源电压,所以其效率高于AB类放大器。

DG类放大器

DG类放大器利用PWM产生满摆幅、占空比可变的数字输出信号。在这方面,DG类放大器与D类放大器相同。然而,DG类放大器也使用多电平输出级检测输出信号的幅值(图6);然后根据需要切换电源轨,以更高效率提供要求的功率。DG类放大器,例如MAX98308,采用与D类放大器结构相同的双电源概念,获得更高的效率。更多示例请参考Maxim的DG类放大器

DG类放大器
图6. DG类放大器检测输出信号的幅值,然后根据需要切换电源轨,以更高的效率提供需要的功率。

H类放大器

H类放大器调制其电源电压,最大程度减小输出级的压降。实现方法包括从使用多个分立式电压到无限可调电源等。尽管与G类放大器降低输出器件功耗的技术相类似,但H类放大器结构不要求多个电源(图7)。

H类放大器一般比其它音频放大器设计更复杂。这些放大器要求精确的控制电路,以预测和控制电源电压。音频编解码IC,例如MAX98090MAX98091,集成了AB类耳机放大器和H类电源结构,实现了极低功耗、提供了完备的音频方案。更多示例请参考Maxim的H类放大器

H类音频放大器
图7. H类音频放大器降低了输出器件的功耗,放大器的工作效率与优化的AB类放大器相当,而与输出功率无关。

总结

本文简要介绍了当今设计中常用的多种音频放大器。显而易见,无论为何种类型的设备设计音频电路,都应该严格确定最适合具体应用的音频放大器结构。充分了解不同类型的音频放大器,将有助于选择最适合设计的音频放大器。

 

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