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引言
音頻功率放大器 (APA) 技術(shù)的最新發(fā)展進(jìn)一步提高了平板顯示器的音質(zhì),使之具有了與其優(yōu)質(zhì)圖像質(zhì)量相稱的音響效果。隨著液晶電視、液晶顯示器以及等離子電視屏幕的尺寸不斷增大,音頻性能必須隨之相應(yīng)提高。散熱與功耗是傳統(tǒng)AB類、或線性APA本身所固有的問(wèn)題,這妨礙其難以成為最新平板顯示器的良好解決方案。
由于線性放大器的效率低下,平板顯示器業(yè)轉(zhuǎn)而采用D類APA作為音頻解決方案。D類APA的操作熱量更低,消耗的功率也少得多。采用D類APA的設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)一步提高其應(yīng)用的音頻功率性能,同時(shí)又不會(huì)增加熱量與功耗,從而可以保持體積較小的變壓器與穩(wěn)壓器,并消除了采用散熱片的必要。事實(shí)上,D類APA甚至可以在增強(qiáng)功率性能的同時(shí)還能降低熱量與功耗。
為了最大化D類APA的性能,我們只需遵循有關(guān)文檔詳細(xì)要求的布局及測(cè)試程序即可。德州儀器 (TI) 的應(yīng)用手冊(cè)提供了全部所需內(nèi)容,本文也將提及有關(guān)內(nèi)容。
線性APA的問(wèn)題
線性APA由于電源通過(guò)線性放大器的輸出級(jí)晶體管產(chǎn)生的壓降而導(dǎo)致其自身效率低下 [1]。事實(shí)上,大多數(shù)情況下,其消耗的功率比所提供給喇叭的功率還要高。線性放大器之所以效率不高,原因在于電源通過(guò)線性放大器的輸出級(jí)晶體管產(chǎn)生的壓降 [1]。當(dāng)線性放大器的輸出電壓信號(hào)與電源電壓不相等時(shí),放大器會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部功率損失。當(dāng)放大器的輸出電壓信號(hào)與電源電壓相等時(shí),放大器又會(huì)產(chǎn)生失真,因?yàn)殡妷盒盘?hào)被電源軌"剪切"了,請(qǐng)參見(jiàn)圖一。
圖一、10-V、1-kHz正弦波剪切電源軌
剪切造成的失真影響聽(tīng)覺(jué)享受,通常應(yīng)當(dāng)避免。因此,總會(huì)有從電壓至輸出電壓信號(hào)的內(nèi)部壓降。壓降值由電源電壓 (VDD) 減去輸出電壓的RMS值獲得。壓降乘以平均電源電流IDD(avg) 就得到線性放大器的內(nèi)部功耗。壓降越大,放大器的效率就越低。計(jì)算差動(dòng)輸出線性放大器的簡(jiǎn)單方程式如下：
h = (p*sqrt(2*PL*RL))/(4*VDD) (1)
其中,
PL = 喇叭獲得的功率
RL = 喇叭電阻
VDD = 電源電壓
從方程式1中,從12-V電源向8-ohm 喇叭提供3 W 功率的線性放大器的效率僅為45%,也就是說(shuō),立體聲解決方案的總功耗為13.3 W。一般17英寸LCD監(jiān)視器（它還需要一個(gè)3 W放大器）的總功耗為90 W。在該例中,線性放大器可消耗提供給LCD監(jiān)視器總功率的近15%。此外,放大器還散發(fā)7.3 W的熱量,這就要求采用較大的散熱片。
D類APA如何解決線性放大器的問(wèn)題
與線性APA不同,D類APA的效率不取決于PL或VDD。從理論上講,D類APA的效率達(dá)100%,因?yàn)镈類輸出晶體管是作為快速開(kāi)啟與關(guān)閉的開(kāi)關(guān)而發(fā)揮作用的。當(dāng)晶體管開(kāi)啟時(shí),輸出電壓等于輸入電壓 (supply voltage)。如果晶體管是完全在理想狀況下的,那么就不會(huì)出現(xiàn)壓降,乘以平均電源電流時(shí)也就不會(huì)導(dǎo)致功率消耗。此外,當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí),它們則成為開(kāi)放的電路,無(wú)電流通過(guò)該電路,因此相應(yīng)也就沒(méi)有功耗。圖二顯示了D類APA--TPA3004D2的輸出波形圖。
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圖二、TPA3004D2、12-W立體聲D類APA輸出波形圖
不過(guò),非理想狀態(tài)的晶體管在開(kāi)啟時(shí)并非短路。因此,D類效率主要由輸出晶體管的導(dǎo)通電阻rds(on) 決定。計(jì)算D類放大器的簡(jiǎn)單方程式如下 [2]：
h = (RL/(RL + rds(on))) x 100% (2)
應(yīng)用前面決定線性放大器效率為45% 時(shí)相同的操作條件,且假定rds(on) 為0.58 ohm,這時(shí)得到D類的效率為93%。但是,隨著器件進(jìn)入穩(wěn)定的操作狀態(tài)而升溫,且rds(on) 也隨之升高,我們以 87% 作為效率值以對(duì)其進(jìn)行更準(zhǔn)確的反映。與線性放大器消耗的13 W相比,D類放大器的總功耗僅為6.8 W。由于功耗降低了48%,因此設(shè)計(jì)人員可采用更小的變壓器與穩(wěn)壓器。此外,相比于線性放大器高達(dá)7.3 W 的功耗,D類功耗僅為0.8 W,因此并不要求采用散熱片。
250-kHz 的開(kāi)關(guān)頻率對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行最低 10 倍采樣,從而確保了音頻的高質(zhì)量,與如今采用線性放大器的應(yīng)用相當(dāng)或優(yōu)于目前應(yīng)用水平。圖二給出的高頻PWM輸出波形帶有音頻信號(hào)。喇叭作為僅復(fù)制音頻頻率的低通濾波器發(fā)揮作用。在大多數(shù)應(yīng)用中,在喇叭之前還要求進(jìn)行最小過(guò)濾以減小EMI。
用于平板顯示器的新型D類APA解決方案
為了滿足各種平板顯示器尺寸的需求,目前有幾種新型的D類APA可供選擇,請(qǐng)參見(jiàn)圖三。當(dāng)為平板顯示選擇APA時(shí),輸出功率是應(yīng)當(dāng)考慮的主要規(guī)范。平板顯示器越大,所要求APA的輸出功率也就越大,因?yàn)樽罱K用戶觀看屏幕內(nèi)容時(shí)距離屏幕的距離會(huì)加大。
 圖三、平板顯示器的 D 類音頻功率放大器
圖三顯示的所有立體聲D類APA均采用48引腳四方扁平表面貼裝封裝,且彼此引腳排列布局是相互兼容的。單聲道TPA3001D1采用24引腳的TSSOP封裝,最大尺寸僅為6.6mm x 7.9mm。與此相當(dāng)?shù)木�性放大器采用通孔單排封裝 (through-hole single in-line package) 或雙排封裝 (dual in-line package),并且它們要求手工組裝,尺寸也不理想,為19.6mm x 22.5mm,大出8.5倍之多。此外,它們還要求采用散熱片。
TPA3004D2與TPA3002D2提供的特性包括集成的反移植電路系統(tǒng) (depop circuitry)、DC音量控制、關(guān)斷控制以及立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的直連輸出等。TPA3001D1、TPA3008D2以及TPA3005D2以四個(gè)集成的固定增益設(shè)置代替DC音量控制,以消除外部反饋與輸入電阻。最后,TPA3003D2還提供了低功率立體聲D類備選方案,該方案除不具備立體聲耳機(jī)放大器直連輸出之外,擁有TPA3002D2的所有特性。
所有D類放大器采用全差動(dòng)輸入級(jí)與橋接輸出級(jí),在最大化輸出功率的同時(shí)還能最小化噪聲。
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66821730(技術(shù)支持)
