便携式系统音频功率放大器解决方案Word文件下载.docx
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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-2AA4002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
AA4002Povs.SupplyvoltagewithdifferentTHD+N
图-6
AA4002OutputPowervs.LoadResistor
图-7
AA4002THD+Nvs.OutputPower
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AA4002Designtools。
图-8
Bassboost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
0dBto-6dB，1dB/step
-6dBto-36dB，2dB/step
-36dBto-47dB，3dB/step
-47dbto-51dB，4dB/step
-51dBto-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DesignRelease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。
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