進入21世紀以后,各種便攜式的電子設備成為了電子設備的一種重要的發展趨勢。從作為通信工具的手機,到作為娛樂設備的MP3播放器,已經成為差不多人人具備的便攜式電子設備。陸續將要普及的還有便攜式電視機,便攜式DVD等等。所有這些便攜式的電子設備的一個共同點,就是都有音頻輸出,也就是都需要有一個音頻放大器;另一個特點就是它們都是電池供電的。都希望能夠有較長的使用壽命。就是在這種需求的背景下,D類放大器被開發出來了。它的最大特點就是它能夠在保持最低的失真情況下得到最高的效率。

高效率的音頻放大器不只是在便攜式的設備中需要,在大功率的電子設備中也需要。因為,功率越大,效率也就越重要。而隨著人們的居住條件的改善,高保真音響設備和更高檔的家庭影院也逐漸開始興起。在這些設備中,往往需要幾十瓦甚至幾百瓦的音頻功率。這時,低失真、高效率的音頻放大器就成為其中的關鍵部件。

音頻放大器的目的是在產生聲音的輸出元件上重建輸入的音頻信號,信號音量和功率級都要理想——如實、有效且失真低。音頻范圍為約20Hz~ 20kHz,因此放大器在此范圍內必須有良好的頻率響應(驅動頻帶受限的揚聲器時要小一些,如低音喇叭或高音喇叭)。根據應用的不同,功率大小差異很大,從耳機的毫瓦級到TV或PC音頻的數瓦,再到"迷你"家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦,直到功率更大的家用和商用音響系統的數百瓦以上,大到能滿足整個電影院或禮堂的聲音要求。

音頻放大器的一種簡單模擬實現方案是采用線性模式的晶體管,得到與輸入電壓成比例的輸出電壓。正向電壓增益通常很高(至少40dB)。如果反饋環包含正向增益,則整個環增益也很高。因為高環路增益能改善性能,即能抑制由正向路徑的非線性引起的失真,而且通過提高電源抑制能力(PSR)來降低電源噪聲,所以經常采用反饋。

音頻放大器分以下幾類:

1、A類放大器

A類放大器的主要特點是:放大器的工作點Q設定在負載線的中點附近,晶體管在輸入信號的整個周期內均導通。放大器可單管工作,也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內,所以瞬態失真和交替失真較小。電路簡單,調試方便。但效率較低,晶體管功耗大,功率的理論最大值僅有25%,且有較大的非線性失真。由于效率比較低現在設計基本上不在再使用。

2、B類放大器

B類放大器的主要特點是:放大器的靜態點在(VCC,0)處,當沒有信號輸入時,輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內,Q1導通Q2截止,輸出端正半周正弦波;同理,當Vi為負半波正弦波(如圖虛線部分所示),所以必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高(78%),但是因放大器有一段工作在非線性區域內,故其缺點是"交越失真"較大。即當信號在-0.6V~ 0.6V之間時, Q1 Q2都無法導通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設計師摒棄。

3、AB類放大器

AB類放大器的主要特點是:晶體管的導通時間稍大于半周期,必須用兩管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真較大,可以抵消偶次諧波失真。有效率較高,晶體管功耗較小的特點。當信號在-0.6V《+0.6V 之間時,為使Q1,Q2導通,在Q1,Q2的VBE之間增加兩個偏置電壓,使輸入信號在+ - 0.6V之間大小的時候,Q1,Q2也可以線性的放大。這樣既可以獲得較高的功率效率,又能很好的改善B類推挽式放大器的交越失真。理論上也可達到 78.5%的功率最大值,但實際上功率的最大值在70%左右可能受到輸出級拓撲和輸出級斜線的影響,在典型的聽音條件下(全功率的30%左右),功放的效率為35%左右。

4、D類放大器

D類(數字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數字信息變換成PWM(脈沖亮度調制)或PDM(脈沖密度調制)的脈沖信號,然后用PWM或 PDM的脈沖信號去控制大功率開關器件通/斷音頻功率放大器,也稱為開關放大器。具有效率高的突出優點。

數字音頻功率放大器也看上去成是一個一比特的功率數模變換器。放大器由輸入信號處理電路、開關信號形成電路、大功率開關電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成.D類放大或數字式放大器。系利用極高頻率的轉換開關電路來放大音頻信號。

D類(數字音頻功率)放大器有以下優點

①具有很高的效率,通常能夠達到85%以上。

②體積小,可以比模擬的放大電路節省很大的空間。

③無裂噪聲接通

④低失真,頻率響應曲線好。外圍元器件少,便于設計調試。

一個基本的半橋式D類放大器的結構功能框圖如下圖所示。

各類音頻放大器比較說明:

A類、B類和AB類放大器是模擬放大器,D類放大器是數字放大器。B類和AB類推挽放大器比A類放大器效率高、失真較小,功放晶體管功耗較小,散熱好,但B類放大器在晶體管導通與截止狀態的轉換過程中會因其開關特性不佳或因電路參數選擇不當而產生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真,頻率響應曲線好。外圍元器件少優點。AB類放大器和D類放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式。

1、電源紋波抑制比(PSRR)

電源紋波抑制比(power supply rejection rate)是音頻放大器的輸入測量電源電壓的偏差偶合到一個模擬電路的輸出信號的比值。PSRR反映了音頻功率放大器對電源的紋波要求,PSRR值越大越好,音頻放大器輸出音質就越好。

2、總諧波失真加噪聲(THD+N)

總諧波失真(total harmonic distortion)是指一個模擬電路處理信號后,在一個特定頻率范圍內所引入的總失真量。噪聲(noise)是指通常不需要的信號。有時是由于由于熱或者其它物理條件產生的在線路板上的其它電氣行為(干擾)。從THD+N的定義中不難看出總諧波失真和噪聲越小越好。

3、信噪比(SNR)

信噪比(SNR)通常指一個模擬信號中有用信號和噪聲之間的比值。

4、增益(AO)

增益(AO)是對音頻功率放大器來說增益通常指放大器輸出功率和輸入功率之間的比值。增益越大說明放大器的效率越高。

5、最大輸出功率(POCM)

最大輸出功率(POCM)反映了一個音頻功率放大器的負載能力,通常音頻放大器廠家會提供產品的在工作電壓一定條件和額定負載下的的最大輸出功率。

6、關斷電流(Shutdown current)和輸出偏移電壓(OutPUt Offset Voltage)。

關斷電流越小,說明在待機條件下的放大器功耗小。輸出偏移電壓小有利于電池壽命的延長。

AN7115 音頻功率放大電路

AN7115在V=9.0V,THD=10%,RL=8Ω條件下,輸出功率可達2.1W,噪聲輸出3mV。

極限參數:Vcc=13V,耗散功率(不帶散熱器)為1.2W,帶散熱器的條件下為2.25W。工作溫度-20-70℃,適合于小型便攜式收錄音機及音響設備作功率放大器。

TDA2030 是德律風根生產的音頻功放電路,采用V 型5 腳單列直插式塑料封裝結構。如 圖1 所示,按引腳的形狀引可分為H 型和V 型。該集成電路廣泛應用于汽車立體聲收錄 音機、中功率音響設備,具有體積小、輸出功率大、失真小等特點。并具有內部保護電 路。意大利SGS 公司、美國RCA 公司、日本日立公司、NEC 公司等均有同類產品生產, 雖然其內部電路略有差異,但引出腳位置及功能均相同,可以互換。

電路特點:

1、外接元件非常少。

2、輸出功率大,Po=18W(RL=4Ω)。

3、采用超小型封裝(TO-220),可提高組裝密度。

4、開機沖擊極小。

5、內含各種保護電路,因此工作安全可靠。主要保護電路有:短路保護、熱保護、地線偶然開路、電源極性反接(Vsmax=12V)以及負載泄放電壓反沖等。

現在消費者追求著小巧的外型、低功耗、低價格以及聽力的舒適感。供應商也逐漸認識到,必須在這些方面有所改進,才能使消費者愿意花錢來購買這些音頻設備。同時,他們也努力減小噪聲的干擾。然而數字電路和模擬電路的同時存在,使得這項任務變得更加困難。

憑借諸如極佳的功率效率、較小的熱量以及較輕的供電電源等優點,D類放大器正在音頻世界掀起風暴,隨著技術的成熟以及其所達到越來越好的聲音重現效果, D類放大器將主導音頻放大器市場。