改善平板显示器的音频性能

引言

　　音频功率放大器 (APA) 技术的最新发展进一步提高了平板显示器的音质，使之具有了与其优质图像质量相称的音响效果。随着液晶电视、液晶显示器以及等离子电视屏幕的尺寸不断增大，音频性能必须随之相应提高。散热与功耗是传统AB类、或线性APA本身所固有的问题，这妨碍其难以成为最新平板显示器的良好解决方案。

　　由于线性放大器的效率低下，平板显示器业转而采用D类APA作为音频解决方案。D类APA的操作热量更低，消耗的功率也少得多。采用D类APA的设计人员能够进一步提高其应用的音频功率性能，同时又不会增加热量与功耗，从而可以保持体积较小的变压器与稳压器，并消除了采用散热片的必要。事实上，D类APA甚至可以在增强功率性能的同时还能降低热量与功耗。

　　为了最大化D类APA的性能，我们只需遵循有关文档详细要求的布局及测试程序即可。德州仪器 (TI) 的应用手册提供了全部所需内容，本文也将提及有关内容。

线性APA的问题

　　线性APA由于电源通过线性放大器的输出级晶体管产生的压降而导致其自身效率低下 [1]。事实上，大多数情况下，其消耗的功率比所提供给喇叭的功率还要高。线性放大器之所以效率不高，原因在于电源通过线性放大器的输出级晶体管产生的压降 [1]。当线性放大器的输出电压信号与电源电压不相等时，放大器会出现内部功率损失。当放大器的输出电压信号与电源电压相等时，放大器又会产生失真，因为电压信号被电源轨"剪切"了，请参见图一。

图一、10-V、1-kHz正弦波剪切电源轨

　　剪切造成的失真影响听觉享受，通常应当避免。因此，总会有从电压至输出电压信号的内部压降。压降值由电源电压 (VDD) 减去输出电压的RMS值获得。压降乘以平均电源电流IDD(avg)　就得到线性放大器的内部功耗。压降越大，放大器的效率就越低。计算差动输出线性放大器的简单方程式如下：

h = (p*sqrt(2*P_L*R_L))/(4*VDD)    (1)

其中，

P_L = 喇叭获得的功率
R_L = 喇叭电阻
VDD = 电源电压

　　从方程式1中，从12-V电源向8-ohm 喇叭提供3 W 功率的线性放大器的效率仅为45%，也就是说，立体声解决方案的总功耗为13.3 W。一般17英寸LCD监视器（它还需要一个3 W放大器）的总功耗为90 W。在该例中，线性放大器可消耗提供给LCD监视器总功率的近15%。此外，放大器还散发7.3 W的热量，这就要求采用较大的散热片。

D类APA如何解决线性放大器的问题

　　与线性APA不同，D类APA的效率不取决于PL或VDD。从理论上讲，D类APA的效率达100%，因为D类输出晶体管是作为快速开启与关闭的开关而发挥作用的。当晶体管开启时，输出电压等于输入电压 (supply voltage)。如果晶体管是完全在理想状况下的，那么就不会出现压降，乘以平均电源电流时也就不会导致功率消耗。此外，当晶体管关闭时，它们则成为开放的电路，无电流通过该电路，因此相应也就没有功耗。图二显示了D类APA--TPA3004D2的输出波形图。

图二、TPA3004D2、12-W立体声D类APA输出波形图

不过，非理想状态的晶体管在开启时并非短路。因此，D类效率主要由输出晶体管的导通电阻rds(on) 决定。计算D类放大器的简单方程式如下 [2]：

h = (R_L/(R_L + r_ds(on))) x 100%     (2)

　　应用前面决定线性放大器效率为45% 时相同的操作条件，且假定r_ds(on) 为0.58 ohm，这时得到D类的效率为93%。但是，随着器件进入稳定的操作状态而升温，且r_ds(on) 也随之升高，我们以 87% 作为效率值以对其进行更准确的反映。与线性放大器消耗的13 W相比，D类放大器的总功耗仅为6.8 W。由于功耗降低了48%，因此设计人员可采用更小的变压器与稳压器。此外，相比于线性放大器高达7.3 W 的功耗，D类功耗仅为0.8 W，因此并不要求采用散热片。

　　250-kHz 的开关频率对音频信号进行最低 10 倍采样，从而确保了音频的高质量，与如今采用线性放大器的应用相当或优于目前应用水平。图二给出的高频PWM输出波形带有音频信号。喇叭作为仅复制音频频率的低通滤波器发挥作用。在大多数应用中，在喇叭之前还要求进行最小过滤以减小EMI。

用于平板显示器的新型D类APA解决方案

　　为了满足各种平板显示器尺寸的需求，目前有几种新型的D类APA可供选择，请参见图三。当为平板显示选择APA时，输出功率是应当考虑的主要规范。平板显示器越大，所要求APA的输出功率也就越大，因为最终用户观看屏幕内容时距离屏幕的距离会加大。

图三、平板显示器的 D 类音频功率放大器

　　图三显示的所有立体声D类APA均采用48引脚四方扁平表面贴装封装，且彼此引脚排列布局是相互兼容的。单声道TPA3001D1采用24引脚的TSSOP封装，最大尺寸仅为6.6mm x 7.9mm。与此相当的线性放大器采用通孔单排封装 (through-hole single in-line package) 或双排封装 (dual in-line package)，并且它们要求手工组装，尺寸也不理想，为19.6mm x 22.5mm，大出8.5倍之多。此外，它们还要求采用散热片。

　　TPA3004D2与TPA3002D2提供的特性包括集成的反移植电路系统 (depop circuitry)、DC音量控制、关断控制以及立体声耳机驱动程序的直连输出等。TPA3001D1、TPA3008D2以及TPA3005D2以四个集成的固定增益设置代替DC音量控制，以消除外部反馈与输入电阻。最后，TPA3003D2还提供了低功率立体声D类备选方案，该方案除不具备立体声耳机放大器直连输出之外，拥有TPA3002D2的所有特性。

　　所有D类放大器采用全差动输入级与桥接输出级，在最大化输出功率的同时还能最小化噪声。

如何采用D类APA进行设计工作

本部分将全篇幅引用TI的两本应用手册：《TPA300x系列部件布局指南》[3] 以及《测量音频功率放大器性能指南》[4]。

优化TPA3000D 放大器的性能时，必须将如下五大布局因素纳入考虑范围：

利用开关电流最小化跟踪环 (trace loop)，并用开关电压最小化大面积的镀铜区域。近场磁噪声 (Near-field magnetic noise) 由引导开关电流的大跟踪环造成。电场噪声由具有开关电压的、大的表面区域造成；
输入跟踪的线路与输出跟踪分开，从而可最小化来自输出的所有输入噪声耦合；
仅将输出功率接地及信号接地连接至PowerPAD™。如连接信号接地时未连至PowerPAD，而连接到了其他地方，则输出功率接地的噪声会降低音频性能。将PowerPAD连接至主去藕电容器或电源；
必须将PowerPAD焊接至印刷电路板 (PCB)，以确保适当的散热性能与最佳的可靠性 [5]；
使所有外部组件尽可能靠近IC。组件彼此靠近的放置安排有助于确保最小化的跟踪环及表面面积。

《TPA300x系列部件布局指南》[3] 进一步细致地解释了上述各个考虑因素。评估模块 (EVM) 也为适当的布局提供了一个很好的实例。TI 可为所有已推出的音频功率放大器提供包括PCB布局、示意图以及材料清单等在内的交钥匙EVM与用户指南。

测试D类放大器的性能并不困难，但常常要求低通滤波器，因为许多分析仪输出都不能准确地处理快速改变的PWM输出。图四显示了如何将频率发生器连接至D类APA，以及如何在APA与分析仪之间连接低通RC过滤器。

图四、差动输入--BTL输出测量电路。

低通RC过滤器对测量准确性的影响很小，因为截止频率 (cutoff frequency) 设在20 Hz到20 kHz的音频带之上。利用表一中RFILT与CFILT的建议值，截止频率为 34 kHz。

表一、典型RC测量过滤器值
测量	RFILT	CFILT
效率	1000	4700 pF
所有其他测量	100	47000 pF

为了获取准确的效率测量数据，R_FILT必须以10进制递增，以减小过滤器分流的电流。为了保持截止频率不变，C_FILT必须也以10进制减小。

遵循以下五大规则，有助于获得准确的测试结果。

使用平衡的来源提供输入信号；
使用具备平衡输入的分析仪；
所有连接均使用双绞线；
当系统环境噪声较重时使用屏蔽功能；
确保与APA相连的电源线缆以及从APA到负载的线缆均能够处理大电流。有关详情，敬请参见《测量音频功率放大器性能指南》中的表1[4]。

结论与随后步骤

D类技术为需要音频功能的平板显示器提供了最佳的音频功率放大器解决方案。放大器的高效操作能够最大程度地散热，从而无需散热片，这也减小了总功耗，因此有助于减小变压器与稳压器的尺寸和成本。

为了快速了解更多有关D类音频功率放大器的信息，您可以：

从TI的网址www.ti.com 上下载TPA3001D1、TPA3003D2、TPA3002D2及TPA3004D2数据表；
从以下网址订购符合表三平板显示器尺寸的、D类放大器的 EVM： http://focus.ti.com/docs/tool/list.jhtml familyId=20&toolTypeId=6
从TI网站下载所选EVM的用户指南，其包括了示意图、布局、材料清单等信息。

参考书目：

[1] TPA6211A1 3.1-W单声道全差动音频功率放大器数据表，德州仪器2003年9月，资料号SLOS367A；
[2] TPA3004D2 12-W带有DC音量控制数据表的立体声D类音频功率放大器，德州仪器2003年8月，资料号SLOS407B。
[3] TPA300x系列部件布局指南，德州仪器2003年7月，资料号SLOA103；
[4] 测量音频放大器性能的指南，德州仪器2001年10月，资料号SLOA068；
[5] PowerPAD散热增强型封装应用报告，德州仪器1997年12月，资料号SLMA002。

作者介绍
Eric L. Droge于1996年自堪萨斯州立大学 (Kansas State University) 获得电子工程理学士学位，随后就职于TI。在TI的高性能模拟部门，Droge身兼产品市场营销工作的数个角色。目前，Droge 先生现任全球音频功率放大器市场营销经理。Droge 先生到远东与世界其他地区出差时，喜欢结识新朋友和拜访老朋友。工作之余他还爱好徒步旅行、野营及划船。