介绍一种便携式系统音频功率放大器的解决方案

　　对于日益增长的便携式系统，比如Portable-DVD，PMP，LCD Monitor以及Notebook等，都需要一个音频功率放大器用来驱动小的扬声器，这种放大器的输出功率1W“2W，用来驱动扬声器（RL=8/4ohm），同时提供50mW”100mW的功率用来驱动耳机（RL=32/16ohm）。在此情况下，BCD开发了自己的便携式系统中，音频功率放大器产品。
　　一、单端（SE）输出 vs. 桥式（BTL）输出
　　输出结构常见的有两种，SE（Single-ended）模式与BTL（Bridge-Tied-Load）模式，见下图-1。
　　
　　图-1 单端模式与桥式模式
　　在便携式系统中，常见的直流电源电压，（+1.8V，+2.5V，+3.3V）通常不会超过+5.0V，如果是单端结构，输出的峰-峰值电压Vp-p最大只有5.0V，实际上由于输出级上、下管子的饱和压降，在没有被削波的前提下，Vp-p最大只有4.5V左右，这样有效值
　　
　　=
　　
　　=1.59V，全部加到RL=4ohm的负载，输出功率
　　
　　=0.63W。所以单端结构，无法输出2W功率。
　　如果是BTL输出结构，Vp-p则可以达到8.0V，有效值
　　
　　=
　　=2.828V，加到RL=4ohm的负载，输出功率
　　
　　=2.0W。
　　因此要在VCC=5.0V条件下输出2W左右的功率，只能采用桥式输出结构。所以单端结构常用来驱动耳机，而BTL结构常用来驱动音箱。见下图-2 AA4002典型应用原理图。
　　
　　图-2 AA4002典型应用图
　　从上图中，看到在驱动耳机时，还需要有一个较大的电解电容，它的作用是，
　　①隔断直流基准电压Vbias（1/2VCC）。如果没有隔直，直流电压会直接流过后面的扬声器线圈，使纸盆平衡位置偏向一端，Vbias过大甚至损坏线圈。
　　②耦合交流的音频信号，它与扬声器负载构成了一阶高通滤波网络，见图-1。由经典公式（1）可知，电容值的大小影响低频处的截止频率fc有关。
　　 公式（1）
　　电容Co越大，截止频率fc越低，意味着更低的频率可以耦合到负载，见图-3。
　　
　　图-3 不同耦合电容下的频响（RL=16ohm）
　　BTL结构则不需要耦合电容，节约系统成本，节省PCB空间，改善低频响应。
　　不仅如此，BTL结构输出，它能有效地抑制共模噪声。在相同的输出功率条件下，桥式模式的噪声明显小于单端模式下的噪声，见下图-4对比，通道1（蓝色）--负载两端，通道2（绿色）--电源。这是因为相同的冲击会同时出现在桥式输出结构的‘+’、‘-’两端，通过负载后，会相互抵消，不对扬声器做功，听不到”POP”声，这种结构对于上电、掉电噪声，操作噪声都有很好的抑制。
　　
　　
　　图-4 桥式模式与单端模式输出的”POP”噪声
　　实际上，讲输出功率是多少，通常需要指定条件，比如电源电压［VCC］，输出负载［RL］，谐波失真［THD+N］。只有这些条件确定之后，输出功率才有意义。在产品规格书中，通常会提供以下图表，输出功率 vs.电源电压，见图-5，输出功率vs.负载，图-6，以及输出功率vs.谐波失真+噪声，图-7。
　　
　　图-5 AA4002 Po vs. Supply voltage with different THD+N
　　
　　图-6 AA4002 Output Power vs. Load Resistor
　　
　　图-7 AA4002 THD+N vs. Output Power
　　二、低音增强
　　对于小功率的音箱，由于尺寸的限制，它们的低频响应通常都很差，而人耳又偏偏对于低频的音乐反映不敏感。有必要在电子线路上想办法，解决这一问题。低音增强，它的实现方法是在反馈回路中，通过增加电容，来实现低频部分的增益大于通带内的增益，相当于环路系统中增加了一个极点，一个零点，在AA4002的典型应用电路图中，电容C2、C11就是这样的电容，见图-2。
　　那么它的理想传递函数，
　　
　　公式（x）
　　极点，
　　
　　零点，
　　
　　假设R1=R2=R3=20K，C2=0.068uF，则可以计算出fZERO=234Hz，fPOLE=117Hz，波特图如下。这个幅度与相位只是对于低音增强这一段，如果是BTL输出，则增益还会增加一倍（6dB），如果信号从PIN10/12脚输入，经过两级反相，则输出端、输入端的相位差接近0DEG，具体可以参考AA4002 Design tools。
　　
　　图-8 Bass boost部分幅度与相位曲线
　　调整其容值的大小，可以调整增益拐点位置以及增益的大小。图-9为AA4002实际测到的低音增强特性曲线。
　　
　　图-9 AA4002不同容值的低音增强特性曲线
　　三、POP噪声
　　POP噪声是指，在音频系统中上电、断电瞬间，以及上电稳定后，各种操作所带来的瞬态冲击，形成的爆破声。这是用户所不愿听到的，系统设计工程师总是想办法避免它。上面提到的桥式结构就可以有效的抑制这种POP噪声。除此之外，还有其他一些常用的方法。
　　1. 对于图-1所示的单端结构，减小Co的容值可以使“POP”冲击幅度变小，冲击脉冲宽度变窄，其频谱中的能量大都在高频，同样可以减小可闻噪声。在图-10中，电容Co分别为10uF、47uF、100uF、220uF在开关机的冲击情况。可以看到当Co减小到一定值后，再减小其值所带来的噪声抑制效果就很小，但是根据公式（1）由于电容值的减小所带来的截止频率fc的升高确是明显的，见上面图-2。因此设计工程师需要权衡，做出一个折中的选择。通常质量好的耳机本身有较好的低频响应，对于AA4002，推荐选用100uF的耦合电容。
　　
　　图-10 不同耦合电容下的”POP”声冲击
　　2．另外AA4002有一个pin22，Vref，它是内部直流基准电压，也就是要想内部电路工作，这个偏置电压必须建立起来。在应用时通常外接一只旁路电解电容对地，起到滤除噪声的作用。它的电压值约等于1/2Vdd。增大这个电容的容值，也可以减小“POP”噪声。当芯片上电或从待机状态切换到工作状态时，直流偏置电压开始建立，从0V逐渐升高，对Vbias滤波电容充电，经过一定的时间建立时间后，电压上升到1/2Vdd，芯片可以工作，输出的音频信号就是基于这个直流电压上下摆动。同样当芯片掉电或进入待机状态时，滤波电容放电，偏置电压开始下降，从1/2Vdd直到0V。实验证明，芯片上电、掉电的”POP”声就是偏置电压瞬间跳变引起的，图-11是仿真结果，红线—Vbias电压；蓝线—单端模式负载端（耦合电容之后，图-1的左图，Co=220uF，RL=16ohm）。如果Vbias的跳变缓慢，POP冲击就会变小，见图-12。我们看到冲击幅度下降了，POP声也就变小了。Vbias上升、下降变缓，即增大基准电压的跳变延时。假定滤波电容充放电的电流是个常数，把这个过程简化成一阶RC模型。由经典的延时公式（2），从10%→90%所需的时间。
　　 公式（2）
　　
　　图-11 单端模式”POP”噪声与Vbias电压
　　
　　图-12 Vbias变缓后的”POP”噪声
　　因此增大Vbias滤波电容可以减缓直流基准电压的上升、下降动作，起到减小”POP”声的作用。图-13 是AA4002增大电容后，基准电压变缓的对比图。蓝线—电源电压Vdd，绿线—Vbias电压（假设Vdd=5.0V，Vbias=2.5V）。
　　
　　
　　图-13 不同旁路电容下的Vbias电压变化 （上图，Cbias=1.0uF. 下图，Cbias=2.2uF）
　　需要注意的是，此滤波电容过大，会使芯片的建立时间拉长，给人感觉声音“久久”没有输出。另外电容过大还会使音频系统的重要指标-谐波失真+噪声（THD+N）变差，这里不解释详细的原因，取值时请参考相应的数据手册，做出折中的选择。
　　3．AA4002还提供了两个非常有用的功能MUTE、SHUTDOWN。MUTE有效时，作用机制是大大衰减输入端进来的信号；而STB起作用时，是将Vbias偏置电路关断，这是音频电路静态时最耗电的部分，进一步降低静态电流，减少系统在待机状态下的功耗，以延长电池使用时间。对于AA4002，待机状态下的静态电流Icc=0.7uA（Typ.）。
　　由以上的讨论可知，单独使用STB，由于Vbias的瞬变，难免引起”POP”声。如果将此两脚，按一定的顺序正确使用，则可以有效地抑制开关机噪声，见图-14。芯片上电时，先使MUTE、STB有效，待电源稳定后，先释放STB，再释放MUTE。当掉电操作时，在准备掉电之前，先使MUTE有效，之后再使STB有效，直到Vdd变为0V。这是因为通常MUTE操作所引起的”POP”声要远小于STB操作所引起的”POP”声。
　　
　　图-14 上电、掉电时MUTE与STB正确的时序
　　图-14容易产生误解的是，STB的操作全被MUTE的作用所覆盖，是不是不需要STB，也可以抑制噪声呢？是的，不管STB的状态，只使用MUTE按照图-14的顺序执行，的确也可以抑制”POP”声。需要注意的是，芯片在上电过程中（从0V→Vdd），电源只需要达到某个小于Vdd的电压值，Vbias就会从0V跳变到1/2Vdd，此时电源还未稳定，Vdd会通过输出驱动管对负载产生一个无法预测，随机的冲击噪声。如果此时Vbias并未建立，仍为0V，这种影响将会很小，至少图-14的操作可以抑制电源瞬变冲击引起的”POP”声，等电源稳定后，Vbias带来的冲击也只是从0V→1/2Vdd，而不是0V→Vdd电源跳变引起的。但实际上市场上有些放大器，输入端的直流基准与输出直流基准是两个独立的电压，STB有效时，输出端的Vbias并不跳变。即使MUTE为有效状态，而MUTE也只是将输入端接地，输出端的Vbias冲击，仍然会通过耦合电容Co传递到负载。不管什么情况，从抑制噪声的角度考虑，我们总是希望输出端的Vbias是缓慢变化的，最好是保持不动，且始终为0V。因此减小POP声，就是要防止直流瞬变。
　　所以对于POP噪声，较难解决的是芯片上电、掉电出现的POP声。实际的系统中也的确如此，当Vdd没有之后，可能意味着整个系统同时也失去了电源，MCU已经不能工作，I/O状态失去控制，无法完成图-14的操作。但是，仍有一些方法可以解决这个难题。
　　假设有这样一个延时电路单元，上电后，需要经过一段固定的延时之后，Vbias才开始缓慢上升，直到稳定，从低到高上升的延时时间为tpLH；当芯片掉电时，则很难使其再延时一段时间才开始下降，但是如果将放电等效电阻增大，仍然可以将从高到低下降的延时tpHL增大，以达到更好的抑制效果。
　　 公式（3）
　　 公式（4）
　　见图-15。
　　
　　图-15 延时电路Vbias变化时序
　　结论：虽然以上提到了几种措施，但都不是孤立的，实际应用中碰到的问题，找到产生”POP”声的主要原因，需要综合考虑，选择最有针对性的、最经济的解决方法。
　　四、音量控制
　　对于驱动扬声器的音频功率放大器，音量控制是一个非常有用的功能。常见的音量调节方法有线性、对数两种方式。下图，为标准的线性、对数衰减曲线，因为纵坐标为增益，以dB表示，已经做过对数运算，所以左图为线性衰减，而右图为对数衰减。
　　
　　
　　图-16 音量衰减方式：线性（上），对数（下）
　　AA4002是通过改变PIN7的直流电平来实现音量衰减的，图-17为AA4002实际音量衰减特性曲线，为分段线性衰减，其中每个阶段的衰减程度略有不同。
　　
　　图-17 AA4002音量衰减特性
　　0dB to -6dB，1dB/step
　　-6dB to -36dB，2dB/step
　　-36dB to -47dB，3dB/step
　　-47db to -51dB，4dB/step
　　-51dB to -66dB，5dB/step
　　从-66dB一直到-78dB，12dB/step.
　　结论，针对便携式系统中的音频功率放大器，BCD目前已经Design Release的有两颗----AA4001、AA4002。这两颗pin-pin兼容，其中AA4001是一个1Wx2CHs立体声功率放大器，AA4002是2Wx2CHs功率放大器，采用TSSOP-28-PAD封装，底部带有散热片。