| 新通訊 2008 年 8 月號 90 期 | ||||||||
| 文．郭俊傑 | ||||||||
 | ||||||||
| 為了提升手機等可攜式裝置在消費市場上的競爭力，多揚聲器配置正漸漸成為新興趨勢。但在可攜式系統中配置多顆揚聲器的同時，系統功耗也會隨之上升。擁有效率優勢的D類音訊放大器遂成為工程師的首選。 | ||||||||
| ||||||||
| 現今的行動電話或可攜式裝置的功能愈來愈多樣化，行動電話已成為多媒體播放系統、數位相機和個人數位助理(PDA)的集合體；可攜式多媒體播放器(PMP)則集合了導航系統、媒體播放器、全球衛星定位系統(GPS)和數位影片多種功能。這些系統都具有MP3和MP4多媒體播放、電視訊號接收、執行遊戲和網頁瀏覽功能。但值得注意的是，大部分的消費者最關注的仍是聲音品質，因為聲音品質是其產品成敗的一個重要因素，某些製造商甚至會在一個系統中放置多個揚聲器，以改進聲音品質和輸出音量。 過去的可攜式裝置為了延長電池壽命，大多採用單揚聲器設計。但在多揚聲器設計中，工程師必須使用兩個音訊功率放大器來驅動多個揚聲器，功率消耗是之前的兩倍以上，並且功率放大器所產生的熱量也成為設計人員必須仔細考量的問題。由於AB類放大器的功率消耗較高(換句話說，就是效率較低)，典型的AB類放大器的效率為40～50%，而效率是降低功率放大器溫度的參數之一。D類音訊放大器這個新技術便可以提高效率達80%或甚至更高。 D類放大器的基本原理是先向功率放大器輸入提供一個小類比訊號，接著功率放大器內部的調變器便將該類比訊號轉化為數位訊號，如脈衝寬度調變(PWM)或脈衝偏移調變(PCM)(取決於裝置採用何種調變技術)。但其轉化後的數位訊號仍然很微弱。因此在類比訊號轉化為數位訊號後，橋式放大器會放大數位訊號的振幅，然後採用一個被動LC濾波器(Passive LC Filters)將該高振幅數位訊號轉化回類比輸出。 圖1所示為一款典型的PWM D類放大器構造，內裡包含了PWM轉換器(調變器)，灰色區域代表功率放大裝置(晶片)部分，圖中的H-Bridge模組為數位訊號放大器，其功能幾乎等同於一個電平移位器(Level Shifter)。
由於可攜式裝置中對電磁干擾(EMI)的要求較高，因此以往在D類產品中只使用固定頻率技術。圖3中的固定頻率D類放大器輸出在固定的300kHz開關頻率下進行切換，圖中的輸出頻譜包含有基本和相關的諧波。為了解決這些EMI問題，用戶希望獲得更好的解決方案，而展頻技術(Spread Spectrum)是降低EMI的方法之一。在展頻模式下，開關頻率以300kHz為中心頻率，並在其上下30%內隨機變化，這種方法降低了寬頻頻譜的成分，從而有效降低了由揚聲器及其相關電纜和布線放射出來的EMI輻射。與開關頻率技術相比，固定頻率D類放大器所產生的頻譜能量是前者的幾倍。此外，開關週期間的變化不會對音訊、效率或電源抑制比(PSRR)造成影響。
PCB布線時亦應遵循的以下幾個原則，例如將兩個揚聲器的布線並排布置，其配置類似差動線對(Differential Pair)；在內部PCB層上的揚聲器輸出布線，用接地層將其屏蔽在上層和下層之間。這種方法類似於射頻屏蔽，且元件到揚聲器的布線應盡量縮短，並使用雙絞線以降低EMI。 除EMI外，輸出功率也是可攜式裝置設計中須要考慮的主要參數之一。布線的額定電流是改進效率的另一個重要因素。隨著輸出功率的增加，放大器、負載和電源之間的互連電阻(PCB布線和導線)將會造成電壓降。LM48410和負載之間因布線所造成的電壓損失，將導致輸出功率下降和效率降低。此外，電源和LM48410之間的較高布線電阻也會產生類似穩壓不足的效果，使得電源線上的漣波增加，從而降低了放大器的峰值輸出功率。另一方面，較高的輸出功率或減少了的負載阻抗，又或是兩者都會導致輸出電流增加，最後使得殘餘的布線電阻上升。為了維持最大的輸出電壓擺幅和相應的峰值輸出功率，連接輸出接腳和負載的PCB布線以及連接電源接腳和電源的布線應盡量寬闊，以降低布線電阻。 某些應用或當音訊源為單端時可能需要採用輸入電容。輸入電容可以阻隔音訊訊號中的直流部分，從而消除音訊源中直流部分與LM48410偏置電壓之間的衝突。配合輸入電阻RIN後，輸入電容可作為高通濾波器使用。使用f=1/2πRINCIN公式得出高通濾波器的-3dB點。 此外，輸入電容也可用於清除音訊訊號中的低頻部分。小型的揚聲器無法重生低頻訊號，甚至可能被低頻訊號損壞，使用高通濾波器過濾音訊訊號有助保護揚聲器。 當LM48410被配置成單端訊號源時，在接地上的電源雜訊會被視為一個輸入訊號。將高通濾波器的過濾點設置到高於電源雜訊頻率，例如GSM電話的217Hz，便可濾除輸出中的雜訊。這裡建議採用容差小於或等於10%的電容器，以阻抗匹配(Impedance Matching)和改善共模抑制比(CMRR)和電源拒斥比(PSRR)。 隨著輸出功率的增加，放大器、負載和電源之間的互連電阻(PCB布線和導線)將會造成電壓降。LM48410和負載之間因布線所造成的電壓損失，將導致輸出功率下降和效率降低。 使用電源層和接地層可獲得最好的THD+N性能。除了可降低布線電阻外，使用電源層所產生的寄生電容有助過濾電源線。變頻器負載的電感特性可能會在一端或兩端上產生過衝，這需要寄生二極體將這過衝嵌位到電路板接地(GND)和器件內部工作電壓(VDD)。 (本文作者任職於美國國家半導體) 配合良好的PCB布線，EMI性能也會得到進一步的改進。從功率放大器輸出到揚聲器之間的長線最有可能將EMI帶到其他的電路。由於大多數D類音訊放大器都採用BTL配置以增加輸出功率，因此在布線內包含兩個具備開關頻率的揚聲器輸出。 採用這項新技術後，製造商可以更簡易地製造其產品和通過EMI檢測。圖4所示為採用了立體聲3吋揚聲器電纜的LM48410的EMI報告。從圖中可以看出，這款元件比FCC規範要求的EMI值至少低了6dB以上。 無濾波器D類放大器的運作原理是將一個動圈式(Moving Coil)揚聲器用作變頻器，音訊放大器的典型變頻器負載具反應性(電感性)，因此該揚聲器負載可作為自身的濾波器。免除輸出濾波器後，功率放大器輸出的波形可能會放射或傳導到系統中的其他元件，並造成干擾。因此應盡量縮短功率放大器和輸出間的布線，並須將其妥善屏蔽。 圖2所示的電路為典型的被動LC低通濾波器電路。兩個電感器並列在功率放大器和揚聲器之間。當功率放大器開始工作時，將會有強電流通過這兩個電感器。由於有強電流通過，電感器的尺寸必須比較大。但是對於可攜式裝置來說，印刷電路板(PCB)的面積受到限制，因此不允許採用兩個大體積的電感器。除了這兩個較大的電感器外，外部的三個電容器也占去PCB不少面積。 |
留言列表
