智能音箱 之 功放介绍
- 基本分类
功率放大器分甲类功放(A 类),乙类(B 类),甲乙类(AB 类)和丁类(D 类);
A 类 指在信号的整个周期内,放大器的任何功率输出元件都不会出现电流截止的一类
放大器。完全的线性放大形式的放大器,即使没有信号输入时也工作在偏置区,
效率最低,理论效率只有25%,但不存在交越失真。单端放大器都是A类功放。
B 类 正弦信号的正负两个半周分别由推挽输出级的两“臂”轮流放大输出的一类放大器,
每一“臂”的导电时间为信号的半个周期。如果没有信号输入,几乎不消耗功耗,
理论效率78%,但存在交越失真。
AB 类 介于前两类之间,推挽放大的每一个臂的时间大于信号半个周期小于一个周期;
效率与B类相当,但相对于B 类,交越失真更小;应用广泛。
D 类 也称数字式放大器,利用极高频频率的转换开关电路来放大音频信号,具有效率高
体积小的优点,通常能够达到85%以上。 在有源超低音音箱中应用广泛,不适合
做宽频带放大器。
2. 主要参数
在全双工语音交互的系统中,功放的质量是非常重要的,因为AEC回声消除对信号失真
是非常敏感的。音频通路的整体谐波失真需要控制在5%以内。
务必注意:规格书上的额定功率值,条件通常是THD=10%。
故功放的功率选择按照喇叭额定功率的1.6~2.0倍是非常重要的。
部分功放具有动态调节音量的功能,在智能音箱中务必关闭此功能,否则将影响AEC。
所有的动态调节都务必在AEC采样点之前进行,具体如下图所示:
评价功率放大器主要从输出功率,电源纹波抑制比(PSSR),总谐波失真加噪声
(THD+N),关闭电流(Shutdown current),工作电压(Power supply),还有功放的转换效
率等指标来评价。
输出功率(POCM):反映功放的负载能力,指失真所限制的最大输出功率,超过这个输出
功率的电平,功放输出将产生削波失真,对后端扬声器有很大损伤。
额定功率测试条件常规是THD=10%条件下。
电源纹波抑制比(PSRR):反映了功放对电源的纹波要求,PSRR 值越大越好,功放输出
音质就越好。
总谐波失真(THD):指一个模拟电路处理信号后,在一特定频率范围内所引入的总失真
量。噪声(noise)是指通常不需要的信号,由于热或者其他物理条件产生
的在线路板上的其它电气行为(干扰)。从THD+N 的定义不难看出总谐
波失真和噪声越小越好。
不同封装、负载、功率、频率和电压,THD是不一样的,如下所示:
关断电流(Shutdown current):关断电流越小,说明在待机条件下的放大器功耗小。输出
偏移电压小有利于电池寿命的延长。
3. 功放参数测试
由于不同供应商,尤其是国产厂商的功放参数是在不同测试条件下得到的,很难进行对
比,因此在功放选型时,需要根据目标需求,将各家功放在同等条件下实测来判定。
测试内容:输出功率、转化效率、静态功耗等;
- 常规条件下
测试环境:
直流电源给功放DEMO板供电,能看到电压和电流;
水泥电阻模拟扬声器(比如4R 或者6R或者8R等);
播放器提供输入标准正弦模拟小信号(默认模拟功放);
示波器监测输出信号幅度和 波形;
测试步骤:(以8R负载为例)
如上描述搭建好基本环境,播放器播放1kHz-3dB.wav文件;
将电压调到目标电压Vin,随时观察Iin;
调整输入信号幅度,示波器观察输出信号幅度Vout,确保功放的输出功率在目标功
率附近;
计算功放效率:E = (Vout/1.414)*(Vout/1.414)/8 / (Vin*Iin)
调整输出信号,通过示波器观察到输出信号出现临界截幅失真状态,记录Vout;
计算功放最大功率:P = (Vout/1.414)*(Vout/1.414)/8;
去掉输入信号,功放使能状态,看直流电源的电流消耗,为静态功耗。
- 专用音频分析条件下
在专用软件测试下,还可以测试出频响。
4. 输出调制模式
TI的功放输出调制模式主要分为AD mode 和BD mode两种。ST的不是这个叫法。
- 如下图为AD mode:
- 如下图为BD mode:
从上述图中不难发现,BD mode 有电流上的优势,所以一般采用BD mode。
注意:这种情况下,如果ADC是单端输入的话,不能直接从功放后面的P端取信号作 为参考信
号,而要取差分的OUTP和OUTN,然后加一个运放把差分信号转换成单端信号再给到ADC。
5. 功放POP音调试
音频系统中,经常会出现播放器播放或者暂定播放时,功放出现POP音现象,严重影响
体验;为了消除或者减弱这种Click-POP噪音,有以下思路,根据实际情况验证:
功放使能控制时序
上电或者播音时保持关断模式,延迟稳定后再打开功放;
掉电或者停止播放时,提前关闭功放; 此方法最为有效,需要硬件和软件支持;
电压平衡方式
输入端的隔直耦合电容,两端直流偏置电压需要保持一致,防止电容充放电;
麦克风出现POP音时,试验过有效;蓝牙模块,差分输出时试验过暂无效;
改变耦合电容值
输入端隔直电容常规为0.1uF到4.7uF之间, 可以适当调小容值,减弱POP音。
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