便携式音频功率放大器的设计

便携式系统都需要一个音频功率放大器用来驱动小的扬声器，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f_ZERO=234Hz，f_POLE=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。

结论：便携式音频功率放大器设计达到了预期的目标，在此基础上可以设计自己想要的便携式产品。