以更少部件實現(xiàn)更多功能的音頻放大器設計

在音頻放大器設計中實現(xiàn)更多功能是音頻系統(tǒng)設計的趨勢，這使 PDA、手機、筆記本電腦和其它便攜式應用的音頻系統(tǒng)設計中所需的其它組件數(shù)量日益減少。
在音頻系統(tǒng)中，可以傳遞給指定電阻性負載的最大音頻功率大小受到音頻放大器輸出的最大電壓擺幅或放大器可以傳遞的最大電流擺幅的限制。對于大多數(shù)音頻放大器而言，這種電壓擺幅在很大程度上取決于它的供電電壓，因此，對于指定負載來說，最大電流和輸出功率將由此電壓擺幅決定。通常情況下，在設計音頻放大器時，需考慮特定的設計目標和供電電壓，但是，如果音頻系統(tǒng)設計人員需要更大的功率，但受到較低供電電壓的制約，則需要采取非常規(guī)的設計方法。
許多晶體管收音機采用變壓器耦合揚聲器來實現(xiàn)更大聲音的輸出。使用匝數(shù)比為 1:2 的變壓器將音頻放大器與揚聲器耦合，便會使揚聲器的擺幅加倍，從而使功率增大4倍。但是，變壓器的費用、尺寸和輻射問題使這種方法在便攜式應用中不具任何優(yōu)勢。所幸的是，成本較低且易于使用的新型音頻放大器IC使設計者可以在實際應用中使用不同的拓撲結構來取代變壓器驅動器。
對于要使揚聲器獲得更大功率這一問題，一個解決辦法就是在揚聲器中并聯(lián)兩個類似的放大器。在無橋接變壓器或橋接式負載 (BTL) 配置中，盡管可以采用大量不同的方式連接兩個放大器，但所有這些方式具有一個共同點：當應用音頻信號時，一個放大器將被非反相驅動，而另一個放大器將被反相驅動，因此使擺幅加倍，致使功率輸出可以達到以相同供電電壓驅動單端負載放大器的4倍之多。在輸入端沒有音頻信號的情況下，兩個放大器的輸出將與在放大器輸出之間相連的揚聲器保持相同的電位。因此，對于單端負載配置，還可以免去在 BTL 配置中使用的大值耦合電容器。

用3 個放大器驅動 2 個揚聲器
類似 BTL 配置的音頻放大器的典型代表是LM4910。LM4910 是一款音頻功率放大器，它能夠將 35mW 的輸出功率傳遞給 32W負載，而來自3.3V電源的失真(THD+N) 不到1%。當脈動頻率為217Hz時，它還提供65dB的電源脈動抑制 (PSRR)，停機電流為 0.1mA。
圖 1 是LM4910 的頂層框圖。在VO1和VO2端沒有輸出耦合電容器，這一般出現(xiàn)在傳統(tǒng)的單端耳機放大器應用中。消除輸出耦合電容器的新型電路拓撲結構還無需使用半供電旁路電容器或參考旁路電容器，它將半供電電壓(1/2VDD)阻塞到輸出放大器通常偏置到的程度，并且將音頻信號耦合至耳機。這樣至少節(jié)省了3個電容器，從而在設計中減少了系統(tǒng)成本和PCB 面積。
傳統(tǒng)的三線耳機插頭可以與 LM4910 配合使用(參見圖 2)。端頭和環(huán)承載左邊和右邊的音頻信號，該插頭的套筒公共端將與耳機插孔的套筒相接觸。但是，耳機插孔套筒不接地，取而代之的是，LM4910的Vo3輸出端向耳機插孔的套筒施加 1.58V的電壓，以便匹配放大器1和2 提供的直流輸出。該耳機的操作方式與BTL模式類似，將相同的直流電壓施加于兩個耳機揚聲器終端，這將導致流經(jīng)揚聲器的不是凈直流電。當耳機揚聲器的音頻信號輸出幅度在揚聲器的終端增大時，將有交流電流經(jīng)耳機揚聲器。
對于極少數(shù)的直流耦合消費類音頻設備來說，接地的耳機插孔套筒狀況是可能出現(xiàn)的，在這種狀況下，LM4910 短路保護將被激活，并且放大器 3 會立即關閉，這將在短路狀況下保護 LM4910 以及外部設備。

更快的打開時間至關重要
另一個使用無電容器耳機操作的器件是LM4854，它既是單聲道差分音頻功率放大器，又是立體聲耳機放大器。該單聲道BTL模式器件采用單個5V電源操作，可以向 8W負載傳遞 1.1W 的功率。在立體聲模式下，該放大器將向 32W負載傳遞85mW的功率。
LM4854 的兩個主要特性是：具有非常快的打開時間，并且可以實現(xiàn)無電容器耳機操作，待機模式的打開時間通常為0.1ms。 當處于待機模式時，該器件僅僅輸出靜音，并且關閉一些內部電路，將供電電流降到典型值 27mA。當處于停機模式時，它將通過禁用內部的所有偏置電路，進入極低電流的微功率操作。產(chǎn)生 VDD/2 的電路也處于停機狀態(tài)，并且該放大器的輸出將靜音。待機和停機狀態(tài)下的打開時間存在很大的差異。待機狀態(tài)下的打開時間為0.1ms，停機狀態(tài)下的打開時間為120ms。
在單個部件上實現(xiàn)更多功能
一些音頻放大器的用途是盡可能降低設計中附加無源組件的數(shù)量，而另一些音頻放大器則是在單個部件上納入更多的功能。
LM4838 是一個單片 IC，它可以提供直流音量控制和可選增益或低音增強，同時，該立體聲橋接放大器還能夠向 4W負載提供2W的功率，THD不到 1.0%。此器件的優(yōu)勢在于改進了直流音量控制。它的等高線或傳遞函數(shù)經(jīng)過精心選擇，可以更好地適應人耳對電平變化的響應方式。它具有外部設置的增益，并且可用于低音增強操作。當使用具有有限低頻響應的外部揚聲器時，它相當有用。此外，它還有通過部件檢測和發(fā)送的系統(tǒng)蜂鳴輸入，可以驅動 BTL 或立體聲耳機。
另一個器件 LM4857，它內置音頻放大器、獨立的音量控制、混頻器、功率管理控制和3D增強技術(參見圖 3)。其中，音頻放大器是每個頻道向8W負載傳遞 495mW功率的立體聲揚聲器放大器、每個通道向32W負載傳遞33mW 功率的立體聲耳機放大器、向32W負載傳遞43mW功率的單聲道耳機放大器，以及外部供電免提揚聲器的線路輸出，所有輸出的失真不到 1%。

添加 DAC 和編/解碼器
在單個芯片中納入附加功能以便進一步減少便攜式應用尺寸和成本的措施還包括加入D/A轉換功能。例如，除了在單個封裝中組合音量控制和功率放大器之外，LM4921還在芯片上組合了16位CD質量的分辨率、立體聲、I2S輸入和DAC。這種新器件節(jié)省了系統(tǒng)設計和布局時間，同時可以使用行業(yè)標準的接口從 MP3 解碼器移動音樂數(shù)據(jù)(參見圖4)。
LM4930集成了語音頻帶編解碼器。除了 DAC 和編/解碼器外，LM4930 還包括模擬麥克風輸入，具有 ADC 并且對芯片上的所有輸入和輸出實現(xiàn)全面的增益控制。集成的 8kHz 語音頻帶編/解碼器將標準的 PCM 數(shù)字音頻接口用于語音數(shù)據(jù)。與I2C兼容的控制接口用于設置語音頻帶編/解碼器和音頻 DAC，并完成不同的輸出模式以及不同的音量控制設置。例如，可以將語音發(fā)送至單聲道輸出或立體聲耳機輸出。器件中還集成了完全混合和側音控制。■