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CLASS-AB类音频功率放大器产品选型指南
发布时间：2010/3/23 13:04:00 来源：
音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，无论从电路技术、元器件，甚至思想认识上都取得了长足进步。本文对目前主流的音频功率放大器市场的现状进行了分析，详细阐述了AB类音频功放的结构和工作原理，并列举了目前手机市场上主流的AB类音频功放产品，希望能对工程师朋友在选择这类产品时有所帮助。
音频功率放大器市场现状及分析
近年来，随着消费类电子以及通讯娱乐产品市场的兴起，应用于手机、MP3、MP4等便携式多媒体设备以及电视、家庭音响、汽车音响等设备的音频功率放大器技术得到了长足发展，预期未来还会有广阔的市场空间。
现阶段音频功放类产品的主流为AB类音频功率放大器和D类音频功率放大器两种，它们各有优缺点。单就手机市场而言，在中高档多媒体手机中，非线性的D类音频放大器是理想的解决方案，它具有效率高、发热少、功耗低、电池使用寿命长等优点。但D类放大器存在EMI电磁干扰的缺点，虽然各大厂商致力于改善D类技术的电磁干扰问题，但手机小型化的趋势给降低D类音频放大器的噪声带来了限制。封装尺寸的压缩致使音频设计高度集成化，进而导致编解码器、电源管理和扬声器输出功能的混合信号集成，这种集成给噪声管理带来了困难。当D类音频放大器不断减小封装尺寸时，需要面对更加困难的噪声管理的挑战。同时D类音频放大器居高不下的价格也让AB类音频放大器继续成为主流中低档手机的首选。与D类产品相比，AB类技术在某些方面仍然具有一定优势，比如音频性能好、THD+N(总谐波失真加噪声)低、PSRR(电源抑制比)的绝对值高等。此外，AB类的应用中没有噼啪声和咔嗒声，噪声很小，而且开启时间和关闭时间都很短，可以实现节能方案。因此，在手机音频IC市场中，呈现出D类和AB类平分秋色共分天下的局面，甚至在一些场合还出现了可以自由切换D类和AB类的模式，以迎合市场需求。
对于这两种技术的未来发展趋势，许多厂商认为，随着技术的不断完善，在未来手机音频技术中，D类将占据主流地位，从而彻底打破D类与AB类平分秋色的局面。甚至有厂家预言，D类将最终替代AB类。从目前情况来看，这种观点过于武断。尤其在小功率音频驱
图2 镜像电流源的基本结构
图1 单声道音频功率放大器应用
动中，比如音频耳机功放对效率和功率的要求不高，或者Hi-Fi耳机放大器对失真率有较高的要求，此时AB类功放的超低失真率就体现出其优势。如今在耳机放大器的设计中，AB类仍是唯一的选择。
动中，比如音频耳机功放对效率和功率的要求不高，或者Hi-Fi耳机放大器对失真率有较高的要求，此时AB类功放的超低失真率就体现出其优势。如今在耳机放大器的设计中，AB类仍是唯一的选择。
综上所述，笔者认为在未来的一段时间内，AB类和D类功放仍将共存于音频功放市场，在不同的应用领域内发挥各自的优势。本文仅对AB类音频功放的一些相关电路结构和性能参数作简单介绍，并对市场上各主要生产商的主流产品进行分析和比较。
AB类音频功放的主要电路模块
通用的AB类音频功率放大器由基本的镜像电流源模块和输出运算放大器模块构成，通常还包括基准电压模块和过温保护模块等，更复杂的功率放大器还包括输入运放、过流保护以及一些附加的功能模块，如输入信号选择、音量调节、音效处理以及总线模块，从而构成集成多种功能的音频子系统，以应用于更广泛的领域。图1所示为一款最简单的单声道音频功率放大器的应用图，其中包括镜像电流源模块和全差分运算放大器模块两部分。
镜像电流源
镜像电流源模块的基本结构如图2所示。
根据电路总体结构的要求，通常可以采用基本电流镜或共源共栅电流镜来实现电流源设计。
电流源电路特点为：输出电流稳定，输出交流电阻大。其主要应用包括：
1. 作为有源集电极负载，提高运放的单级增益；
2. 作为输入差分放大器的射极电阻，提高集成运放的共模抑制比；
3. 用来对电路进行偏置，稳定电路的工作点。
IC1与IR之间的关系如一面镜子，即IC1≈IR，故称为镜像电流源。
镜像电流源具有一定的温度补偿作用。因为在整体电路的设计中，镜像电流源要提供系统中其他各部分工作的偏置电压和电流，因此在进行这一模块的设计时，要考虑到系统静态电流的要求以及运算放大器工作点的选取，同时还要考虑输出温漂以及电源纹波对输出的影响。
输出运算放大器
输出运算放大器是AB类音频功放产品中最关键的部分，它的设计直接决定着功放产品关键性能的优劣，包括输出功率、静态功耗、电源抑制比、共模抑制比、相位裕度、单位增益带宽以及密勒补偿等，这些特性都要在输出运放的设计中予以充分考虑，并保证其达到预期的参数值。
CMOS运算放大器主要由差分跨导级、高增益级、输出级、密勒补偿电路及偏置电路构成，通常采用二级放大结构。电路结构可以有很多种设计和选择，如简单的两级运放、共源共栅运放、折叠共源共栅运放等。针对不同应用，应采用不同的电路结构，并在设计中针对不同的预期参数进行优化设计。
AB类音频功率放大器对输出运算放大器的主要要求包括：尽可能高的开环增益、共模抑制比、电源抑制比、单位增益频率，以及尽可能低的功耗、失调电压等，而输出功率管的交越失真也是设计中必须考虑并尽量避免的。很多AB类音频功放采用折叠共源共栅结构，
AB类输出运算放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作，以抑制偶次谐波，减小交越失真，效率较高，晶体管功耗较小等。
其它附加功能模块
基准电压模块
输出运算放大器的基准电压通常为VDD/2，接于放大器正端输入，为运算放大器的输出提供中心直流电压，保证其可在输入交流信号的正负半周内正常工作。这个基准电压通常由内部电路产生，可以是直接的电阻分压。但对性能要求更高的音频功放在这部分的设计中会考虑到抑制上电噼啪声，以及需要在电路出现异常即极低或极高的基准电压时及时关断系统，因而会设计更复杂的电路，以保证系统具有更完善的性能。最常见的方法是在芯片外围接旁路电容，这样在电源上电时，基准电压不是马上达到VDD/2，而是经旁路电容充电才上升为VDD/2，这使音频功放可在一定的充电时间后才开始工作，从而避免了电源上电时因芯片立即工作而产生的噼啪声。
过温保护模块
音频功率放大器芯片都有自己的工作温度范围，超出这个范围，芯片的很多性能都会变得很差，甚至会造成不可逆的损坏。为避免这一状况的发生，很多音频功率放大器都会加入过温保护模块。过温保护模块的原理是利用二极管的负温度系数和电阻的正温度系数互补，将镜像电流源产生的电流镜像为两路，一路接一个二极管，而另一路接一个电阻，这两路的输出分别接一个比较器的两个输入端，比较器的输出又控制镜像电流源。芯片在正常温度范围内工作时，比较器的输出不变，因为芯片工作时其温度是逐渐升高的，使一路电压逐渐降低而另一路逐渐升高，当温度达到一定值时，这两路电压值的大小发生翻转，使比较器的输出也发生翻转，控制镜像电流源的输出为0，从而关断芯片使其停止工作。芯片停止工作后其温度会逐渐降低，引起两路的电压值随之变化，比较器的输出也会随之翻转，使芯片重新开始工作。通过设计电路结构，可使比较器的两次翻转所对应的温度值存在大约15℃~20℃的滞回，从而有效避免了因温度过高而引起的芯片损坏。
音量控制模块
通常用户在使用音/视频产品时都希望它的音量是可以调节的。以往大多数音量调节的功能是通过在音频功放芯片上连接另一块独立的音量控制芯片来实现的，但现在，很多音频功放芯片已经把这一功能集成到功放芯片内，以降低系统整体成本。现在普遍采用的音量控制模块是数字音量控制，这种控制方式更适合目前消费电子市场上以按键为主的操作模式。
音效调节模块
在一些音视频设备中通常会提供有如古典乐、摇滚乐、爵士乐以及低音增强等音效的选择，这些音效调节功能同样可以通过在功放上连接独立的芯片提供，也可以直接继承在音频功放芯片内，从而降低系统成本。音效调节功能是通过调节功放输出在不同频段内的增益来实现的，例如要达到低音增强的效果，就通过滤波器来提高低频部分的增益而保持高频部分单位增益不变。
音频放大器的重要参数
总谐波失真加噪声
(THD+N)
总谐波失真是指模拟电路处理信号后，在特定频率范围内所引入的总失真量；噪声是指通常不需要的信号，有时是由于热或其它物理条件引起的电路板上的其它电气行为(干扰)。从上述定义中不难看出，总谐波失真和噪声越小越好。
对于理想的音频功率放大器来说，如果不考虑功率放大器的增益
表1 美国国家半导体公司部分AB类放大器参数略览
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状态描述 产品名称
参数
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LM4809
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LM4863
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LM4890
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桥式输出
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单端输出
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THD+N
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0.3%
Po=50mW,RL=32Ω
f=20Hz~20kHz
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0.3%
Po=2W,RL=4Ω
f=20Hz~20kHz
|
0.2%
Po=75mW,RL=32Ω
f=20Hz~20kHz
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0.1%
Po=0.4W,RL=8Ω
f=1kHz
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关断保护
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有，低有效
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有，高有效
|
有，高有效
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过温保护
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无
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有
|
有
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静态电流
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1.4mA(典型值)
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11.5mA
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5.8mA
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4mA(典型值)
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关断电流
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0.2mA(典型值)
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0.7mA(典型值)
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0.1mA(典型值)
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电源电压范围
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2.0V~5.5V
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2.0V~5.5V
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2.2V~5.5V
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PSRR
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70dB
CB=1.0mF,
VRIPPLE=200mVPP,f=1kHz
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67dB
CB=1.0mF,
VRIPPLE=200mVPP, RL=8Ω
|
52dB
CB=1.0mF,
VRIPPLE=200mVPP,f=1kHz
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62dB
CB=1.0mF,
VRIPPLE=200mVPP,f=217Hz
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输出功率
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0.1%THD+N
105mW(RL=16Ω)
70mW(RL=32Ω)
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1%THD+N
2.5(RL=3Ω)
2.2(RL=4Ω)
1.1(RL=8Ω)
|
0.5%THD+N
85mW(RL=32Ω)
1%THD+N
340mW(RL=8Ω)
|
2%THD+N
1W(RL=8Ω)
|
大小，输入一定频率的正弦波信号后，其输出也应该是没有失真(波形没有变形)、没有噪声的正弦波信号。但真实的音频功率放大器的输出音频信号总会有一点失真，并且叠加了噪声(在正弦波上叠加了高频杂波)。这种失真是较小的，从波形图中很难看出来，只有用失真仪才能测出。波形的失真是由于在正弦波上叠加了多种高次谐波而造成的(如3次谐波、5次谐波等)，所以被称为总谐波失真。理想的音频功率放大器没有谐波失真及噪声，所以THD+N=0。实际的音频功率放大器有各种谐波造成的失真及由器件内部或外部造成的噪声，其THD+N的值通常为0.00n%~10%(n=1~9)。
但这个指标是在一定条件下测试得出的。同一个音频功率放大器，如果改变测试条件，其THD+N的值会有很大的变动。这里指的条件是，一定的工作电压VCC(或VDD)、一定的负载电阻RL、一定的输入频率fIN(一般常用1KHz)，以及一定的输出功率Po。如果改变了其中的条件，则会得到不同的THD+N值。一般来说，输出功率小(如几十mW)的高质量音频功率放大器(如用于MP3播放机)的THD+N指标可达10-5，其具有较高的保真度；输出几百mW的音频功率放大器要采用扬声器放音，其THD+N一般为10-4；输出功率在1W~2W的音频功率放大器的THD+N更大些，一般为0.1%~0.5%。
最大输出功率(POCM)
输出功率反映了音频功率放大器的负载能力，音频放大器厂商通常会提供产品在一定工作电压、额定负载以及某一THD+N指标下的最大输出功率。
电源纹波抑制比(PSRR)
电源纹波抑制比是音频放大器的输入测量电源电压的偏差耦合到模拟电路的输出信号的比值。PSRR反映了音频功率放大器对电源的纹波要求，PSRR值越大，音频放大器输出音质就越好，性能越优越。
静态功耗(IDD)
这一参数体现为设计中的静态电流，在满足最大输出功率的同
表2 德州仪器公司部分AB类放大器参数略览
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状态描述 产品名称
参数
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TPA6112A2
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TPA301
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TPA6203A1
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THD+N
(f＝1kHz，Pout＝1W)
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0.6%
Po=100mW,RL=16Ω
f=20Hz~20kHz
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1%
Po=350mW,RL=8Ω
f=20Hz~20kHz
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0.06%
Po=1W,RL=8Ω
f=1kHz
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关断保护
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有，高有效
|
有，高有效
|
有，低有效
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过温保护
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有
|
有
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||||||
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||||||
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