D类功放电路设计小结

SPEAKER电路设计小结

一、音频电路

存储器中的数字信号经过解码后发送到DAC进行转换，DAC的模拟输出通过电容交流耦合到功放的输入端，放大器必须能够提供足够的电流驱动低阻扬声器。放大器使能后将放大进入其输入端的任何信号，包括有用信号和噪声。 扬声器放大器连接在8Ω扬声器和音频DAC之间。DAC输出与功放之间的交流耦合电容是必需的，以保证两个器件具有适当的输入和输出偏置电压。大多数音频放大器的输出端含有偏置电压，为了可靠传输音频信号需要将此偏置电压预先设置好。在开启功率放大器之前必须留出一定的时间间隔，以便建立适当的偏置电压。假如过早地开启功率放大器，DAC输出正处于爬升阶段的偏置电压对于放大器输入来说相当于一个衰减脉冲。该信号经过-放大器放大后进入扬声器，产生可闻的咔嗒声。

二、D类放大器的工作原理

D类放大器所采用的技术其实就是脉宽调制技术PWM(Pulse Width Modulation)。所谓脉宽调制技术也就是把模拟音频信号的幅度来调制一系列矩形脉冲的宽度。这样，一个模拟音频信号就变成了一系列宽度受到调制的等幅脉冲信号。为什么要这样做呢？因为这时候，要把信号放大，只要对这系列的脉冲信号放放大就可以了。而原来的模拟信号并不是包含在这个脉冲信号的幅度之中，而是包含在它的宽度之中。只要把这个放大以后的脉宽调制信号中所包含的低频分量滤出来就可以得到放大以后的音频信号。在没有信号的时候，输入信号就是对称方波。所以如果在放大的时候，幅度上产生失真并不会使原来的音频信号产生失真。在这种情况下的放大器就可以完全工作在开关状态。在开关工作状态，晶体管的效率是很高的。因为在完全导通的时候晶体管的电流很大但是压降很小(由其饱和电阻决定)，而在截止的时候，加在晶体管的电压很高，但是流过晶体管的电流很小(只是其漏电流而已)。同时还可以使晶体管在没有音频信号时完全工作在截止状态，这样其效率就更高。这种脉宽调制可以用一个等幅三角波来对音频信号进行采样。为了避免失真这个三角波的频率必须远高于音频信号的最高频率分量。通常为了不失真地放大最高频率分量为20KHz的音频信号，其三角波的重复频率最好在250KHz以上。以减小对于输出滤波的要求。 当这个等幅矩形波的幅度被放大以后，还要还原成原来的音频信号，这只要用一个低通滤波器滤掉不需要的高频分量就可以了。 二、D类放大器的滤波器

D类放大器的主要成本缺点是LC滤波器。LC滤波器的元器件，尤其是电感器，占用PCB面积并且增加成本。在低成本、低功耗应用中，电感器的成本很高。放大器IC的成本可能比LC滤波器的总成本还要低。

为了满足这些考虑，有时会完全取消LC滤波器，以采用无滤波放大器设计。这样可节省成本和PCB面积，虽然失去了低通滤波器的好处。如果没有滤波器，EMI和高频功耗的增加将会不可接受，除非扬声器采用电感式并且非常靠近放大器，电流环路面积最小，而且功率水平保持很低。为了降低EMI，需要尽可能缩短扬声器与D类放大器的连线。最好将放大器放置在扬声器附近，从而缩短扬声器的引线长度，这根线能够将EMI传送到周围电路。通常很难将功率放大器放在两个扬声器附近，因为扬声器必须分开一定距离，以获得有效的立体声效果。为了在降低EMI的同时获得立体声效果，最好用两个单声道D类放大器代替立

体声放大器。如果受成本限制不能选择单声道放大器，使用长线缆时采用铁氧体磁珠可以很好地降低EMI。在每个D类放大器的输出引脚使用一个廉价的铁氧体磁珠和一个小的1nF电容即可降低EMI(假定D类放大器毋需滤波调制架构，也就是说零输入时负载电压不为零)。

因为一直到末级功放，信号还是一些宽度不等的方脉冲,所以在送到喇叭以前一定要把音频信号滤出来。或者说，要把高频分量滤掉。所以需要用一个低通滤波器，串联在输出和喇叭之间。为了尽可能减小滤波器的电感量通常采用很高的采样频率。提高采样频率(通常为500KHz以上)以后，要滤掉它是很容易的事。实际上，喇叭本身就是一个小电感(大约为10uH)。所以不要任何滤波器也可以滤去高频分量而留下音频分量。

只用一个串联电感并不能有效地解决高频辐射的问题。有时甚至还会使得电磁辐射更为严重。电磁辐射在便携式产品更为敏感。因为它有可能会干扰机内的其它射频电路。为了减小高频辐射还必须再用一个并联电容，以便直接把射频干扰信号滤去。这时候它就变成了一个二阶低通滤波器，如下图

二阶低通滤波器

根据巴特沃斯(Butterworth)滤波器的设计方法可以计算出这个电容量应当是0.146uF。但是，因为OUT－仍然有高频信号，所以，这种方法还不能有效地抑制射频辐射。更好的方法是采用一种对称的结构。

对称的两个二阶低通滤波器

这时候的电感量要减少一半，成为5uH，而电容量则要增加一倍。

三、SPEAKER电路设计小结，手上的项目用到的音频功放是NCP2820，SPEAKER电路框图如下：

1、The total gain of the device is typically set to：Gain =300 k/Ri

2、输入耦合电容和输入电阻，截止频率Fc =1/(2*pi *Ri*Ci),如果我们用Ri=150K，则Gain=300K/150K=2 V/V

在这种情况下，输入电容选择from 10 nF to 1 uF with cutoff frequency values between 1 Hz and 100 Hz。除非特别说明，选择Ci = 100 nF and Ri= 150 k，Gain=300K/150K=2 V/V，高通滤波器的截止频率Fc=10 Hz.

3、The NCP2820 also includes a built in low pass filtering function. It’s cut off frequency is set to 20 kHz.

4、根据实际情况，30 kHz Low Pass Filter是可选择的，取决于SPEAKER自身对高频信号的滤波能力。不过，高频信号对于人耳是不可听见的。不滤掉也没有关系。下图为两种滤波电路，38是39的改进型。

5、当音频功放和SPEAKER靠的很近的时候就不需要EMI filter，但是为了更低的射频辐射，一般还是加一个100M的磁珠。

6、NOKIA 的SPEAKER电路如下：

可以看出既有100M的磁珠EMI滤波，又有LC滤波电路，当然还有ESD保护电路。

7、MTK平台的SPEAKER电路如下，PA是LM4990ITL

可以看出只用了磁珠EMI滤波和ESD保护电路。 四、小结

SPEAKER电路看起来简单，但其中还是有很多值得研究的地方，电路中的每一个元器件都要知道它的作用，更不能简单的搬抄。D类功放分自带滤波电路和不带滤波电路两种，所以哪些需要哪些不需要还有结合音频功放的性能来决定。如有不对的地方，欢迎大家批评指正。MSN：huimyself@hotmail.com

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