音频功放基础知识

Posted 2023-04-12 机械工人杨师傅

1.主要类别

        分为数字功放和模拟功放：数字功放是DAC之前对数字信号进行处理，而模拟功放是DAC之后对模拟信号进行处理，区别在于

1. 数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。模拟功放电路分为A类、B类或AB类功率放大电路，正常工作时功放管工作在线性区;当过载后，功放管工作在饱和区，出现谐波失真，失真程度呈指数级增加，音质迅速变坏。而数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截止区，只要功放管不损坏，失真度不会迅速增加。
2. 数字功放失真比较小。模拟B类功放在过零失真，这是由于晶体管在小电流时的非线性特性而引起的在输出波形正负交叉处的失真。而数字功放只工作在开关状态，不会产生交越失真。模拟功放几乎全部采用负反馈电路，以保证其电声指标，在负反馈电路中，为了抑制寄生振荡，采用相位补偿电路，从而会产生瞬态互调失真。数字功放在功率转换上没有采用任何模拟放大反馈电路，从而避免了瞬态互调失真。
3. 数字功放和扬声器匹配更容易。由于模拟功放中的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的扬声器时，模拟功放电路的工作状态会受到负载(扬声器)大小的影响。而数字功放内阻不超过0.2Ω(开关管的内阻加滤波器内阻)，相对于负载(扬声器)的阻值(4~8Ω)完全可以忽略不计，因此不存在与扬声器的匹配问题。

        目前市面上主流的功放方案以AB（甲乙）类居多，A（甲）类和D类其次；众所周知，A类放大器线性度高，但输出功率小、效率低、发热大；B类放大器输出功率高、效率高、发热小，但存在交越失真，使得听感不如A类；所以目前市面上大多数音频功放芯片都采用的是AB类，在小功率时使用A类放大，大功率时使用B类放大，这样能减小这两种放大电路的缺点，达到保真度、效率、输出功率之间的均衡。

        1.1A类功放（模拟）

        放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，效率的理论最大值仅有25%，且有较大的非线性失真。因此效率比较低。

        1.2B类功放（模拟）

        B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在（VCC，0）处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高（78%），但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是“交越失真”较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时，Q1、Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。

        1.3AB类功放（模拟）

        AB类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。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。

        1.4C类功放（模拟）

        C类放大器主要特点是：晶体管仅在输入信号每个周期的很短时间内工作。电路工作时通常会给放大管提供一个负偏压，以确保晶体管不会工作在乙类状态。它的集电极负载不是电阻而是一个LC并联谐振回路，所以C类放大器也叫谐振放大电路。通过调节电容器的容值或电感器的感值从而达到选频功能。C类放大器的转换效率极高，可以达到98%。但是因为负载是谐振电路，电路经常工作在高频状态所以失真很大，因此C类放大器并不适合作为音频功率放大器，反而因为它的可选频率特性而被无线电界广泛采用，所以通常作为射频放大器、调谐放大器和倍频器。

        1.5D类功放

AW8155A可以切换AB/D类两种功放模式

PWM原理：通过调整方波的占空比实现大小调节。

        D类（数字音频功率）放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息通过与三角波调制，变换成PWM（脉冲宽度调制）或PDM（脉冲密度调制）的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路（半桥式和全桥式）和低通滤波器（LC）等四部分组成。D类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的。（模拟信号偏置、模拟信号和三角波在比较器中调制、饱和或截至状态MOS管开关调整占空比、LC低通滤波还原）（D类功放输入的是模拟信号，按此划分应该为模拟功放；D类功放原理是PWM，按此划分应该为数字功放；）

        与AB类不同点：无论是A类还是B类，也不论驱动的晶体管是BJT还是MOS管，其都是使晶体管工作于线性区，利用晶体管对电流的放大作用进行工作的。D类功放电路与两种不同，它是使得晶体管工作在饱和区或截止区驱动外部电路工作的，采用PWM原理实现线性放大。

        D类功放理论上没有失真，产生失真的原因：

1. 三角波的标准程度，三角波的每一点的斜率是否一致，若不一致会引起占空比失真。
2. 三角波的频率（1.06MHz）越高理论上肯定是转化后的方波对输入正弦波的描述越细致，并且后级使用的LC滤波器的体积也可以更小，但频率是不是越大越好呢？当然不是！（mos管承受能力？）
3. 三角波到PWM波的转化需要过一个比较器，若三角波的频率过高的话，PWM波的频率就越高，对于一个半导体器件来说存在寄生电容或者载流子迁移率不够，在高低电平切换的时候电压不是马上就切换过去的，需要一定的上升时间和下降时间，对于高频来说上升时间和下降时间在一个时钟周期内占比更大，由于上升时间和下降时间的带来的占空比失真效应也越明显，所以，PWM频率不是越高越好，当然我们在选择比较器和驱动的MOS管的时候也应该选择寄生电容小、压摆率高的器件。
4. 输出电感电容带来的影响，一是影响滤波效果，二是电感选的不好产生磁饱和导致电感发烫并影响输出功率。

        1.6T类功放（数字）

        T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。但它和普通D类功率放大器不同的是：

1. 它不是使用脉冲调宽的方法，Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“Digital Power Processing （DPP）”的数字功率技术，它是T类功率放大器的核心。它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP数字处理后，用于控制功率晶体管的导通关闭。从而使音质达到高保真线性放大。
2. 它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上。使声音的细节在整个频带上都可“闻”。
3. T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。DDP的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。在高保真方面，线性度与传统AB类功放相比有过之而无不及。

        1.7K类功放（D或AB的自升压，仅AW有）

        K类功放是集成了内部自升压电路和各种功放电路， D类功放只是众多功放电路中其中一种效率比较高的数字功放，而K类功放只是根据需要将内部集成的自举升压电路和所需求的功放电路，（3.5-5.0的电源输入均可保证到自升高1.5倍的电压供应，而不会因为输入电压太低导致的削顶失真）如果需求效率高就加D类功放，要音质好就加AB类功放。（自升压+集成的Multi-Level AGC/NCN）（不少D类也有Single-Level NCN）

---

2.运算放大器和功率放大器的区别

        运算放大器和功率放大器都能对小信号进行放大，区别在于输出能力，普通运放输出能力有限，只适合带阻抗比较高的负载，而功率放大器输出能力强，适合带阻抗比较低的负载输出较大功率，另外，运放都是集成的，功率放大器可以用普通分立元件组成。

        运放与功放的主要区别是：

1、运放可以精确设计放大倍数，功放不需要高精度放大。

2、运放处理前级小信号，后级功放输出大功率。

---

3.AW8737实例

        3.1引脚

                3.1.1SHDN/CTRL：

        one-wire pulse一线脉冲控制进行模式选择；0.75us<TH,TL<10us；

        Mode1，D类18dB增益（20logAv），NCN0.65W；

        Mode2，D类21.5dB增益（20logAv），NCN0.85W；

        Mode3，D类21.5dB增益（20logAv），net audio；

        Mode4，AB类21.5dB增益（20logAv）；

        SHDN拉低超过500us进入shutdown模式；

                3.1.2模式切换：需要先拉低500us至shutdown模式再开启；

                3.1.3NET audio：

        当没有信号输入的时候，将增益降低，减少TDD Noise；

        3.2主要参数（底噪52uV/-100dBV、放大倍数放大区间、功率、freq±0.5dBV、THD0.0008%、效率80%）

                3.2.1额定输出功率

        当谐波失真度为10%时的平均输出功率，也称做最大有用功率。通常来说，峰值功率大音频功放于音乐功率，音乐功率大于额定功率，一般的讲峰值功率是额定功率的5--8倍。

                3.2.2峰值功率

        是指在不失真条件下，将音频功放音量调至最大时，音频功放所能输出的最大音乐功率。

                3.2.3音乐功率

        是指输出失真度不超过规定值的条件下，音频功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。

                3.2.4频率响应

        表示音频功放的频率范围，和频率范围内的不均匀度。频响曲线的平直与否一般用分贝dB表示。（越平直越好）家用HI-FI音频功放的频响一般为20Hz--20KHZ正负1db.

                3.2.5失真度

        由于各种原因经音频功放放大后的信号与输入信号相比较，往往产生了不同程度的畸变，这个畸变就是失真。用百分比表示，其数值越小越好。HI-FI音频功放的总失真在0.03%—0.05%之间

                3.2.6信噪比

        是指信号电平与音频功放输出的各种噪声电平之比，用dB表示，这个数值越大越好。一般家用HI-FI音频功放的信噪比在60db以上。

                3.2.7输出阻抗

        对扬声器所呈现的等效内阻，称做输出阻抗。

---

D类音频功放NTP8849可完美替代TI的TAS5805

TAS5805是德州仪器（TI）在2018年推出的一款高性能内置DSP数字闭环功放芯片；在工艺和设计上性能以及闭环的系统，THD+N、底噪、特别是DRC处理上很多功放做的好很多，不会有过度压缩或者忽高忽低的问题；但受芯片供需行情影响以及价格问题，使的很多厂家产品不能及时上架，望而却步。

这里推荐一款由工采网代理的韩国NF-D类音频功放NTP8849可完美替代TI的TAS5805。

产品描述：

NTP8849是一颗高性能内置DSP的数字功放IC；工作电压从8V到28V；提供2 x 20不带散热器的立体声模式；接收数字串行音频数据采样频率为32kHz，44.1kHz, 48kHz和96kHz。此外，NTP8849集成了多功能数字音频信号处理功能，高性能，高保真全数字PWM调制器和大功率全桥MOSFET功率阶段。

NTP8849和TAS5805在性能方面的比较：

1、NTP8849拥有60W最大输出功率（THD＜1％）支持4欧扬声器；输出效率90％以上

2、NTP8849采用新型PWM脉宽调制架构，根据信号大小动态调整脉宽，在保证音频性能前提下，降低静态功耗，提高效率。

3、Multi DRC＋POST DRC＋RS DRC 功率控制，高效防止破音；NTP8849支持32bit的左右声道的数据，支持做高保真应用，而市场上不少产品仅能支持到24bit。

4、APEQ专利技术，最大限度释放箱体音效。低于1％的失真，高于95db的信噪比，不额外产生噪音。

5、拥有与TAS5805一样的96KHz处理器架构，同时带有闭环反馈的功能，与开环芯片不同的是，NTP8849可以在系统设计中有效的抑制谐波信号的比例，是一颗具有强大性能的全数字Class-D闭环功放；可以实现多阶谐波的抑制，以及应对电源不稳的情况下稳定输出，在许多知名品牌高端机型上都有选用，远超出绝大部分音频产品的性能需求。

如图：

（1）左边是功放芯片正常工作没信号输入功放的白噪声；

（2）中间是在播放1KHz正弦波信号的时候,关掉闭环功能的THD+N测试，清楚看到有效信号与谐波信号的比例大概30dB；

（3）右边是打开闭环功能之后，信号与谐波信号的抑制比例达到60dB（翻一倍）；

TAS5805还经常遇到电流不够的问题，NTP8849电流加大，也让不少工程师轻松了一些。指标曲线上，THD+N为例，对比曲线也差不多，韩国NF推出的NTP8849还稍微好一点。