綜上所述，筆者認(rèn)為在未來的一段時(shí)間內(nèi)，AB類和D類功放仍將共存于音頻功放市場(chǎng)，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。本文僅對(duì)AB類音頻功放的一些相關(guān)電路結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)作簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)市場(chǎng)上各主要生產(chǎn)商的主流產(chǎn)品進(jìn)行分析和比較。
AB類音頻功放的主要電路模塊
通用的AB類音頻功率放大器由基本的鏡像電流源模塊和輸出運(yùn)算放大器模塊構(gòu)成，通常還包括基準(zhǔn)電壓模塊和過溫保護(hù)模塊等，更復(fù)雜的功率放大器還包括輸入運(yùn)放、過流保護(hù)以及一些附加的功能模塊，如輸入信號(hào)選擇、音量調(diào)節(jié)、音效處理以及總線模塊，從而構(gòu)成集成多種功能的音頻子系統(tǒng)，以應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。圖1所示為一款最簡(jiǎn)單的單聲道音頻功率放大器的應(yīng)用圖，其中包括鏡像電流源模塊和全差分運(yùn)算放大器模塊兩部分。
鏡像電流源
鏡像電流源模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
根據(jù)電路總體結(jié)構(gòu)的要求，通�？梢圆捎没倦娏麋R或共源共柵電流鏡來實(shí)現(xiàn)電流源設(shè)計(jì)。
電流源電路特點(diǎn)為：輸出電流穩(wěn)定，輸出交流電阻大。其主要應(yīng)用包括：
1. 作為有源集電極負(fù)載，提高運(yùn)放的單級(jí)增益；
2. 作為輸入差分放大器的射極電阻，提高集成運(yùn)放的共模抑制比；
3. 用來對(duì)電路進(jìn)行偏置，穩(wěn)定電路的工作點(diǎn)。
IC1與IR之間的關(guān)系如一面鏡子，即IC1≈IR，故稱為鏡像電流源。
鏡像電流源具有一定的溫度補(bǔ)償作用。因?yàn)樵谡w電路的設(shè)計(jì)中，鏡像電流源要提供系統(tǒng)中其他各部分工作的偏置電壓和電流，因此在進(jìn)行這一模塊的設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到系統(tǒng)靜態(tài)電流的要求以及運(yùn)算放大器工作點(diǎn)的選取，同時(shí)還要考慮輸出溫漂以及電源紋波對(duì)輸出的影響。
輸出運(yùn)算放大器
輸出運(yùn)算放大器是AB類音頻功放產(chǎn)品中最關(guān)鍵的部分，它的設(shè)計(jì)直接決定著功放產(chǎn)品關(guān)鍵性能的優(yōu)劣，包括輸出功率、靜態(tài)功耗、電源抑制比、共模抑制比、相位裕度、單位增益帶寬以及密勒補(bǔ)償?shù)�，這些特性都要在輸出運(yùn)放的設(shè)計(jì)中予以充分考慮，并保證其達(dá)到預(yù)期的參數(shù)值。
CMOS運(yùn)算放大器主要由差分跨導(dǎo)級(jí)、高增益級(jí)、輸出級(jí)、密勒補(bǔ)償電路及偏置電路構(gòu)成，通常采用二級(jí)放大結(jié)構(gòu)。電路結(jié)構(gòu)可以有很多種設(shè)計(jì)和選擇，如簡(jiǎn)單的兩級(jí)運(yùn)放、共源共柵運(yùn)放、折疊共源共柵運(yùn)放等。針對(duì)不同應(yīng)用，應(yīng)采用不同的電路結(jié)構(gòu)，并在設(shè)計(jì)中針對(duì)不同的預(yù)期參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
AB類音頻功率放大器對(duì)輸出運(yùn)算放大器的主要要求包括：盡可能高的開環(huán)增益、共模抑制比、電源抑制比、單位增益頻率，以及盡可能低的功耗、失調(diào)電壓等，而輸出功率管的交越失真也是設(shè)計(jì)中必須考慮并盡量避免的。很多AB類音頻功放采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，
AB類輸出運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)是：晶體管的導(dǎo)通時(shí)間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作，以抑制偶次諧波，減小交越失真，效率較高，晶體管功耗較小等。
其它附加功能模塊
基準(zhǔn)電壓模塊
輸出運(yùn)算放大器的基準(zhǔn)電壓通常為VDD/2，接于放大器正端輸入，為運(yùn)算放大器的輸出提供中心直流電壓，保證其可在輸入交流信號(hào)的正負(fù)半周內(nèi)正常工作。這個(gè)基準(zhǔn)電壓通常由內(nèi)部電路產(chǎn)生，可以是直接的電阻分壓。但對(duì)性能要求更高的音頻功放在這部分的設(shè)計(jì)中會(huì)考慮到抑制上電噼啪聲，以及需要在電路出現(xiàn)異常即極低或極高的基準(zhǔn)電壓時(shí)及時(shí)關(guān)斷系統(tǒng)，因而會(huì)設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路，以保證系統(tǒng)具有更完善的性能。最常見的方法是在芯片外圍接旁路電容，這樣在電源上電時(shí)，基準(zhǔn)電壓不是馬上達(dá)到VDD/2，而是經(jīng)旁路電容充電才上升為VDD/2，這使音頻功放可在一定的充電時(shí)間后才開始工作，從而避免了電源上電時(shí)因芯片立即工作而產(chǎn)生的噼啪聲。
過溫保護(hù)模塊
音頻功率放大器芯片都有自己的工作溫度范圍，超出這個(gè)范圍，芯片的很多性能都會(huì)變得很差，甚至?xí)斐刹豢赡娴膿p壞。為避免這一狀況的發(fā)生，很多音頻功率放大器都會(huì)加入過溫保護(hù)模塊。過溫保護(hù)模塊的原理是利用二極管的負(fù)溫度系數(shù)和電阻的正溫度系數(shù)互補(bǔ)，將鏡像電流源產(chǎn)生的電流鏡像為兩路，一路接一個(gè)二極管，而另一路接一個(gè)電阻，這兩路的輸出分別接一個(gè)比較器的兩個(gè)輸入端，比較器的輸出又控制鏡像電流源。芯片在正常溫度范圍內(nèi)工作時(shí)，比較器的輸出不變，因?yàn)樾酒ぷ鲿r(shí)其溫度是逐漸升高的，使一路電壓逐漸降低而另一路逐漸升高，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，這兩路電壓值的大小發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使比較器的輸出也發(fā)生翻轉(zhuǎn)，控制鏡像電流源的輸出為0，從而關(guān)斷芯片使其停止工作。芯片停止工作后其溫度會(huì)逐漸降低，引起兩路的電壓值隨之變化，比較器的輸出也會(huì)隨之翻轉(zhuǎn)，使芯片重新開始工作。通過設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)，可使比較器的兩次翻轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度值存在大約15℃~20℃的滯回，從而有效避免了因溫度過高而引起的芯片損壞。
音量控制模塊
通常用戶在使用音/視頻產(chǎn)品時(shí)都希望它的音量是可以調(diào)節(jié)的。以往大多數(shù)音量調(diào)節(jié)的功能是通過在音頻功放芯片上連接另一塊獨(dú)立的音量控制芯片來實(shí)現(xiàn)的，但現(xiàn)在，很多音頻功放芯片已經(jīng)把這一功能集成到功放芯片內(nèi)，以降低系統(tǒng)整體成本�，F(xiàn)在普遍采用的音量控制模塊是數(shù)字音量控制，這種控制方式更適合目前消費(fèi)電子市場(chǎng)上以按鍵為主的操作模式。
音效調(diào)節(jié)模塊
在一些音視頻設(shè)備中通常會(huì)提供有如古典樂、搖滾樂、爵士樂以及低音增強(qiáng)等音效的選擇，這些音效調(diào)節(jié)功能同樣可以通過在功放上連接獨(dú)立的芯片提供，也可以直接繼承在音頻功放芯片內(nèi)，從而降低系統(tǒng)成本。音效調(diào)節(jié)功能是通過調(diào)節(jié)功放輸出在不同頻段內(nèi)的增益來實(shí)現(xiàn)的，例如要達(dá)到低音增強(qiáng)的效果，就通過濾波器來提高低頻部分的增益而保持高頻部分單位增益不變。
音頻放大器的重要參數(shù)
總諧波失真加噪聲
(THD+N)
總諧波失真是指模擬電路處理信號(hào)后，在特定頻率范圍內(nèi)所引入的總失真量；噪聲是指通常不需要的信號(hào)，有時(shí)是由于熱或其它物理?xiàng)l件引起的電路板上的其它電氣行為(干擾)。從上述定義中不難看出，總諧波失真和噪聲越小越好。
對(duì)于理想的音頻功率放大器來說，如果不考慮功率放大器的增益
表1 美國國家半導(dǎo)體公司部分AB類放大器參數(shù)略覽
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狀態(tài)描述 產(chǎn)品名稱
參數(shù)
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LM4809
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LM4863
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LM4890
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橋式輸出
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單端輸出
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THD+N
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0.3%
Po=50mW,RL=32Ω
f=20Hz~20kHz
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0.3%
Po=2W,RL=4Ω
f=20Hz~20kHz
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0.2%
Po=75mW,RL=32Ω
f=20Hz~20kHz
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0.1%
Po=0.4W,RL=8Ω
f=1kHz
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關(guān)斷保護(hù)
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有，低有效
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有，高有效
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有，高有效
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過溫保護(hù)
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無
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有
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有
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靜態(tài)電流
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1.4mA(典型值)
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11.5mA
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5.8mA
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4mA(典型值)
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關(guān)斷電流
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0.2mA(典型值)
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0.7mA(典型值)
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0.1mA(典型值)
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電源電壓范圍
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2.0V~5.5V
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2.0V~5.5V
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2.2V~5.5V
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PSRR
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70dB
CB=1.0mF,
VRIPPLE=200mVPP,f=1kHz
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67dB
CB=1.0mF,
VRIPPLE=200mVPP, RL=8Ω
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52dB
CB=1.0mF,
VRIPPLE=200mVPP,f=1kHz
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62dB
CB=1.0mF,
VRIPPLE=200mVPP,f=217Hz
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輸出功率
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0.1%THD+N
105mW(RL=16Ω)
70mW(RL=32Ω)
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1%THD+N
2.5(RL=3Ω)
2.2(RL=4Ω)
1.1(RL=8Ω)
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0.5%THD+N
85mW(RL=32Ω)
1%THD+N
340mW(RL=8Ω)
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2%THD+N
1W(RL=8Ω)
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大小，輸入一定頻率的正弦波信號(hào)后，其輸出也應(yīng)該是沒有失真(波形沒有變形)、沒有噪聲的正弦波信號(hào)。但真實(shí)的音頻功率放大器的輸出音頻信號(hào)總會(huì)有一點(diǎn)失真，并且疊加了噪聲(在正弦波上疊加了高頻雜波)。這種失真是較小的，從波形圖中很難看出來，只有用失真儀才能測(cè)出。波形的失真是由于在正弦波上疊加了多種高次諧波而造成的(如3次諧波、5次諧波等)，所以被稱為總諧波失真。理想的音頻功率放大器沒有諧波失真及噪聲，所以THD+N=0。實(shí)際的音頻功率放大器有各種諧波造成的失真及由器件內(nèi)部或外部造成的噪聲，其THD+N的值通常為0.00n%~10%(n=1~9)。
但這個(gè)指標(biāo)是在一定條件下測(cè)試得出的。同一個(gè)音頻功率放大器，如果改變測(cè)試條件，其THD+N的值會(huì)有很大的變動(dòng)。這里指的條件是，一定的工作電壓VCC(或VDD)、一定的負(fù)載電阻RL、一定的輸入頻率fIN(一般常用1KHz)，以及一定的輸出功率Po。如果改變了其中的條件，則會(huì)得到不同的THD+N值。一般來說，輸出功率小(如幾十mW)的高質(zhì)量音頻功率放大器(如用于MP3播放機(jī))的THD+N指標(biāo)可達(dá)10-5，其具有較高的保真度；輸出幾百mW的音頻功率放大器要采用揚(yáng)聲器放音，其THD+N一般為10-4；輸出功率在1W~2W的音頻功率放大器的THD+N更大些，一般為0.1%~0.5%。
最大輸出功率(POCM)
輸出功率反映了音頻功率放大器的負(fù)載能力，音頻放大器廠商通常會(huì)提供產(chǎn)品在一定工作電壓、額定負(fù)載以及某一THD+N指標(biāo)下的最大輸出功率。
電源紋波抑制比(PSRR)
電源紋波抑制比是音頻放大器的輸入測(cè)量電源電壓的偏差耦合到模擬電路的輸出信號(hào)的比值。PSRR反映了音頻功率放大器對(duì)電源的紋波要求，PSRR值越大，音頻放大器輸出音質(zhì)就越好，性能越優(yōu)越。
靜態(tài)功耗(IDD)
這一參數(shù)體現(xiàn)為設(shè)計(jì)中的靜態(tài)電流，在滿足最大輸出功率的同
表2 德州儀器公司部分AB類放大器參數(shù)略覽
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狀態(tài)描述 產(chǎn)品名稱
參數(shù)
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TPA6112A2
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TPA301
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TPA6203A1
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THD+N
(f＝1kHz，Pout＝1W)
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0.6%
Po=100mW,RL=16Ω
f=20Hz~20kHz
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1%
Po=350mW,RL=8Ω
f=20Hz~20kHz
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0.06%
Po=1W,RL=8Ω
f=1kHz
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關(guān)斷保護(hù)
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有，高有效
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有，高有效
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有，低有效
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過溫保護(hù)
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有
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有
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