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移动应用中的主流音频放大器:D类、AB类
2007/7/9 16:34:37    产通学院,365PR NET

一般来说,数字语音播放系统包含两个主要过程:将数字语音数据转换为模拟语音信号,这个过程通常利用高精度数模转换器(DAC)来实现;第二个环节是利用模拟功率放大器对模拟信号进行放大,这一般通过A类、B类和AB类放大器进行。随着便携式产品对产品外形、电池使用寿命和散热等要求的不断提高,数字放大器应运而生,这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换,这类放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。

1. 音频功率放大器工作原理

在手机、DVD播放机、笔记本电脑及游戏机等便携式设备中集成音频,设计人员一方面需要将MP3及视频流等越来越多的特性集成到上述终端设备中,另一方面又必须保持或(甚至)减少整体功率预算。

(1)A类放大器
 
A类放大器的主要特点是:放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作,也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内,所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单,调试方便。但效率较低,晶体管功耗大,功率的理论最大值仅有25%,且有较大的非线性失真。由于效率比较低现在设计基本上不在再使用。

(2)B类放大器

B类放大器的主要特点是:放大器的静态点在(VCC,0)处,当没有信号输入时,输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内,Q1导通Q2截止,输出端正半周正弦波;同理,当Vi为负半波正弦波,所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%),但是因放大器有一段工作在非线性区域内,故其缺点是“交替失真”较大。即当信号在-0.V~0.6V之间时,Q1、Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。
 
(3)AB类放大器

既然A类效率比较低,而B类却是波形稍差,同时用上2个B类放大电路,将两者所剩的完整半波合并,达到与A类相同的全波效果,此即是所谓的AB类放大,且效率高于A类,若要同样实现一个输出放大达25W的系统,A类系统需要100W,AB类只要约66W,散热片的体积也可以因此减小。

可见,AB类放大器晶体管的导通时间稍大于半周期,可以避免交替失真。另外,AB类放大器的有效功率也较高,其晶体管的功耗也较小。
 
(4)D类放大器

D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲亮度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器,也称为开关放大器,具有效率高的突出优点。

数字音频功率放大器也看上去是一个1比特的功率数模变换器。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成:
· D类放大或数字式放大器,是利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。
· 具有很高的效率,通常能够达到85%以上。
· 体积小,可以比模拟的放大电路节省很大的空间。
· 低失真,频率响应曲线好。
· 外围元器件少,便于设计调试。

PDM信号与PWM信号相比,没有固定的工作频率,其将输入的音频信号调制成一组脉冲宽度相同但是频率不同的PDM信号,有效的改善了PWM带来的EMI问题。目前市场上产品还不是很多。

PWM(Pulse Width Modulation)中A类、B类和AB类放大器是模拟放大器,D类放大器是数字放大器。B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小,功放晶体管功耗较小,散热好,但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真,频率响应曲线好,外围元器件少优点。AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。

2. D类与AB类的比较

在现有的几类基本功放中,AB类功率放大器已经被广泛应用于各种音频产品,包括手机、MP3播放器和PMP系统中。考虑到AB类功率放大器能够提供高品质的信号放大性能,因此非常适合耳机和一些小功率喇叭的应用。但是由于更多、更新的便携式产品对多媒体功能有着更高的要求,立体声音频、3D环绕音效以及大音量输出已逐渐成为新一代便携式多媒体产品必不可少的功能。更小的外形设计、使用更薄的电池、较低的效率成为AB类功率放大器的致命弱点。

D类放大器具有远高于AB类放大器的效率,可给音频设计人员提供两大好处:首先,对于便携式及电池供电应用来说,采用D类放大器可延长电池使用时间,因为由放大器发热而浪费的功率更少。此外,由于放大器散热更少,因此与AB类放大器相比,采用D类放大器时的热设计将变得更加简单。

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