模拟技术中的以更少部件实现更多功能的音频放大器设计
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2020-12-09
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模拟技术中的以更少部件实现更多功能的音频放大器设计模拟技术中的以更少部件实现更多功能的音频放大器设计
在音频放大器设计中实现更多功能是音频系统设计的趋势，这使 PDA、手机、笔记本电脑和其它便携式应用的
音频系统设计中所需的其它组件数量日益减少。在音频系统中，可以传递给指定电阻性负载的最大音频功率大
小受到音频放大器输出的最大电压摆幅或放大器可以传递的最大电流摆幅的限制。对于大多数音频放大器而
言，这种电压摆幅在很大程度上取决于它的供电电压，因此，对于指定负载来说，最大电流和输出功率将由此
电压摆幅决定。通常情况下，在设计音频放大器时，需考虑特定的设计目标和供电电压，但是，如果音频系统
设计人员需要更大的功率，但受到较低供电电压的制约，则需要采取非常规的设计方法。许多晶体管收音机采
用变压器耦合扬声器来实
在音频放大器设计中实现更多功能是音频系统设计的趋势，这使 PDA、手机、笔记本电脑和其它便携式应用的音频系统设计
中所需的其它组件数量日益减少。
在音频系统中，可以传递给指定电阻性负载的最大音频功率大小受到音频放大器输出的最大电压摆幅或放大器可以传递的最大
电流摆幅的限制。对于大多数音频放大器而言，这种电压摆幅在很大程度上取决于它的供电电压，因此，对于指定负载来说，
最大电流和输出功率将由此电压摆幅决定。通常情况下，在设计音频放大器时，需考虑特定的设计目标和供电电压，但是，如
果音频系统设计人员需要更大的功率，但受到较低供电电压的制约，则需要采取非常规的设计方法。
许多晶体管收音机采用变压器耦合扬声器来实现更大声音的输出。使用匝数比为 1:2 的变压器将音频放大器与扬声器耦合，便
会使扬声器的摆幅加倍，从而使功率增大4倍。但是，变压器的费用、尺寸和辐射问题使这种方法在便携式应用中不具任何优
势。所幸的是，成本较低且易于使用的新型音频放大器IC使设计者可以在实际应用中使用不同的拓扑结构来取代变压器驱动
器。
对于要使扬声器获得更大功率这一问题，一个解决办法就是在扬声器中并联两个类似的放大器。在无桥接变压器或桥接式负载
(BTL) 配置中，尽管可以采用大量不同的方式连接两个放大器，但所有这些方式具有一个共同点：当应用音频信号时，一个放
大器将被非反相驱动，而另一个放大器将被反相驱动，因此使摆幅加倍，致使功率输出可以达到以相同供电电压驱动单端负载
放大器的4倍之多。在输入端没有音频信号的情况下，两个放大器的输出将与在放大器输出之间相连的扬声器保持相同的电
位。因此，对于单端负载配置，还可以免去在 BTL 配置中使用的大值耦合电容器。
用3 个放大器驱动 2 个扬声器
类似 BTL 配置的音频放大器的典型代表是LM4910。LM4910 是一款音频功率放大器，它能够将 35mW 的输出功率传递给
32W负载，而来自3.3V电源的失真(THD+N) 不到1%。当脉动频率为217Hz时，它还提供65dB的电源脉动抑制 (PSRR)，停机
电流为 0.1mA。
图 1 是LM4910 的顶层框图。在VO1和VO2端没有输出耦合电容器，这一般出现在传统的单端耳机放大器应用中。消除输出耦
合电容器的新型电路拓扑结构还无需使用半供电旁路电容器或参考旁路电容器，它将半供电电压(1/2VDD)阻塞到输出放大器
通常偏置到的程度，并且将音频信号耦合至耳机。这样至少节省了3个电容器，从而在设计中减少了系统成本和PCB 面积。
传统的三线耳机插头可以与 LM4910 配合使用(参见图 2)。端头和环承载左边和右边的音频信号，该插头的套筒公共端将与耳
机插孔的套筒相接触。但是，耳机插孔套筒不接地，取而代之的是，LM4910的Vo3输出端向耳机插孔的套筒施加 1.58V的电
压，以便匹配放大器1和2 提供的直流输出。该耳机的操作方式与BTL模式类似，将相同的直流电压施加于两个耳机扬声器终
端，这将导致流经扬声器的不是净直流电。当耳机扬声器的音频信号输出幅度在扬声器的终端增大时，将有交流电流经耳机扬
声器。
对于极少数的直流耦合消费类音频设备来说，接地的耳机插孔套筒状况是可能出现的，在这种状况下，LM4910 短路保护将被
激活，并且放大器 3 会立即关闭，这将在短路状况下保护 LM4910 以及外部设备。
更快的打开时间至关重要
另一个使用无电容器耳机操作的器件是LM4854，它既是单声道差分音频功率放大器，又是立体声耳机放大器。该单声道BTL
模式器件采用单个5V电源操作，可以向 8W负载传递 1.1W 的功率。在立体声模式下，该放大器将向 32W负载传递85mW的
功率。
LM4854 的两个主要特性是：具有非常快的打开时间，并且可以实现无电容器耳机操作，待机模式的打开时间通常为0.1ms。
当处于待机模式时，该器件仅仅输出静音，并且关闭一些内部电路，将供电电流降到典型值 27mA。当处于停机模式时，它将
通过禁用内部的所有偏置电路，进入极低电流的微功率操作。产生 VDD/2 的电路也处于停机状态，并且该放大器的输出将静
音。待机和停机状态下的打开时间存在很大的差异。待机状态下的打开时间为0.1ms，停机状态下的打开时间为120ms。
在单个部件上实现更多功能
一些音频放大器的用途是尽可能降低设计中附加无源组件的数量，而另一些音频放大器则是在单个部件上纳入更多的功能。
LM4838 是一个单片 IC，它可以提供直流音量控制和可选增益或低音增强，同时，该立体声桥接放大器还能够向 4W负载提供
2W的功率，THD不到 1.0%。此器件的优势在于改进了直流音量控制。它的等高线或传递函数经过精心选择，可以更好地适
应人耳对电平变化的响应方式。它具有外部设置的增益，并且可用于低音增强操作。当使用具有有限低频响应的外部扬声器
时，它相当有用。此外，它还有通过部件检测和发送的系统蜂鸣输入，可以驱动 BTL 或立体声耳机。
另一个器件 LM4857，它内置音频放大器、独立的音量控制、混频器、功率管理控制和3D增强技术(参见图 3)。其中，音频放
大器是每个频道向8W负载传递 495mW功率的立体声扬声器放大器、每个通道向32W负载传递33mW 功率的立体声耳机放大
器、向32W负载传递43mW功率的单声道耳机放大器，以及外部供电免提扬声器的线路输出，所有输出的失真不到 1%。
添加 DAC 和编/解码器
在单个芯片中纳入附加功能以便进一步减少便携式应用尺寸和成本的措施还包括加入D/A转换功能。例如，除了在单个封装中
组合音量控制和功率放大器之外，LM4921还在芯片上组合了16位CD质量的分辨率、立体声、I2S输入和DAC。这种新器件节
省了系统设计和布局时间，同时可以使用行业标准的接口从 MP3 解码器移动音乐数据(参见图4)。
LM4930集成了语音频带编解码器。除了 DAC 和编/解码器外，LM4930 还包括模拟麦克风输入，具有 ADC 并且对芯片上的所
有输入和输出实现全面的增益控制。集成的 8kHz 语音频带编/解码器将标准的 PCM 数字音频接口用于语音数据。与I2C兼容
的控制接口用于设置语音频带编/解码器和音频 DAC，并完成不同的输出模式以及不同的音量控制设置。例如，可以将语音发
送至单声道输出或立体声耳机输出。器件中还集成了完全混合和侧音控制。■
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