恶劣和嘈杂的环境是手机、个人数字助理(PDA)和其他便携式通讯设备常遇到的问题。这为开发新型音频功率放大器(PA)提出了要求。这种功率放大器有全差分结构，带良好的射频、共模和电源纹波抑制。本文对单端、典型桥接阻抗和全差分音频功率放大器结构进行讨论，同时讨论噪声对电源和RF整流的影响。

工业上主要使用的三种音频功率放大器结构为：单端、典型桥接阻抗和全差分音频功率放大器。单端(SE)音频功率放大器为所有结构中最简单的一种，然而，在手机中，一般不用它来驱动复调环绕或非手动模式所使用的扬声器。一般来说，单端放大器用作驱动听MP3格式音乐或游戏音频的耳机(见图1)。

在典型单电源、单端配置中，放大器输出端需要输出耦合电容(C_OUT)来隔离直流偏移，这可防止负载中有直流电流流过。输出耦合电容和负载阻抗构成高通滤波器，由下式确定：

式中 R_L代表扬声器阻抗。

从阻抗角度来看，主要缺点是典型的小负载，本例中为4Ω 和 8Ω扬声器，将把转角频率(F_C)抬高。C_OUT容量要大，以使低频成分可以进入扬声器。扬声器负载为8 Ω时，如果使用的C_OUT 为68 µF，所有低于292 Hz的分量都会被衰减。

为了在单端放大器中不使用输出电容(C_OUT)，需要分离供电，在无线环境中使用这种方法不好。手机设计师需要在负端加一直流-直流变换器，因此导致成本和体积增加。此外，单端放大器易于出现加电、断电、放进或取出时的突然变化，当扬声器上的电压(电压脉冲)突然变化时产生该有害噪声，它与电压脉冲的上升时间、下降时间和宽度有关。

大多数人对20 Hz ~20 kHz声音有反应，所以，如果脉冲宽度小于50 ms，人耳无法响应。这时，频率高于20 kHz，听不到“砰”声。如果脉冲上升时间大于50 ms，人耳也无法听到“砰”声(因为频率低于20 Hz)。当脉宽大于20 ms时，可以听到熟悉的“砰”声。这时，脉冲上升时间小于50 ms。如果立即关闭，因单端放大器只产生一脉冲，所以斜率必须大于50 ms。这一速度对大多数智能手机而言都太慢。

对单端供电，因输出隔直电容保持充电，也会发生“砰”声。放大器输出变化时，该电压随同电容上的电压一起加到扬声器上，产生“砰”声。

最后，给负载加功率的问题也是使用音频功率放大器要着重考虑的。使用单电源SE放大器时，扬声器一端通过输出电容连接到放大器输出，另一端接地。结果是，扬声器电压只能在V_DD 和地之间。对输出功率，有下式：

最大峰-峰输出为电源电压。对正弦波输出，最大RMS输出电压为：

最大理论输出电压为：

最后，电源和负载阻抗相同时，可以证明桥接负载(BTL)和全差分放大器输出功率达SE放大器的4倍。

当前的手机和便携通讯设备使用同一类音频放大器结构：BTL输出单端输入(见图2)。BTL放大器由两个分别驱动负载两端的单端放大器构成。第一个放大器(A)设置增益，第二个放大器(B)则作为一单位增益反相器。BTL放大器增益为：

因有单位增益反相器(B)，增益为双倍。这种差分驱动结构的一个重要优点是其给负载加的功率。对差分驱动扬声器，一端斜上，另一端斜下，反之亦然。结果，与以地为参考的负载相比，这一结构将负载电压摆幅加倍。因为有效负载电压摆幅加倍，输出功率方程变为：

BTL的最大理论输出功率为：

与单电源、单端音频功率放大器相比，扬声器电压的这一倍增结果是，在电源和负载阻抗相同的情况下，输出功率为原来的4倍。

另一需要考虑的因素是旁路电容(C_BYPASS)，该电容是电路最关键的元件之一，有几个重要作用。第一，C_BYPASS 决定放大器启动速率，如果放大器缓慢上升，可以降低“砰”声。C_BYPASS 和产生中间端的高阻电阻分离网络构成RC时间常数。如上所述，如果该时间常数大于50 ms，就听不见“砰”声。

C_BYPASS 的第二个作用是降低电源产生的噪声，该噪声由与输出驱动信号的耦合产生。它由放大器内部的中间端产生电路引起。噪声表现为电源抑制比(PSRR)变差。对电源噪声大的系统，它可影响THD+N。

与SE音频放大器相比，这种结构的优点是同一电源端的输出功率量大。另外，可以不用输出隔直电容。毕竟，扬声器两端的然而，这种结构也有一明显的缺点。如果有任何噪声耦合到单端输入，输出也会存在该噪声，并且是经放大器增益放大的。因放大器对输入没有反馈，任何耦合到输出的高频噪声将带来滴答声和嗡嗡声。这种效应称为射频整流。

图3所示的全差分音频放大器是一种新型音频放大器，目前正在生产，以用于手机、PDA、智能电话和新型无线设备。全差分放大器增益为：

全差分放大器的输入、输出均为差分。这些放大器有差分和共模反馈。共模反馈确保放大器输出差分电压，该电压等于差分输入乘以增益。外部的增益设置电阻用作反馈环。

共模反馈确保不管输入共模电压如何，输出共模电压都偏置在V_DD2。该反馈在器件内部。它使用一电压分压器和电容，产生的电压稳定，为电源电压的一半。为确保一个输出不会在另一输出之前截断，输出偏压在V_DD/2。

全差分放大器具有BTL放大器与SE放大器相比的所有优点。与BTL放大器相比，它们还有三个主要优点。第一，不再需要输入耦合电容。使用全差分放大器时，输入可以偏压在中端之外。使用的放大器的共模抑制比(CMRR)必须好。对TPA6203A1和TPA2010D1，放大器输入可偏压在0.5 V~ V_DD 0.8 V之间。然而，如果输入偏压在输入共模范围之外，就应使用输入耦合电容。

第二，不再需要中电源旁路电容C_BYPASS。中点的任何漂移对正负道的影响相同。结果它在差分输出端消除了。去掉旁路电容会使PSRR轻微变差。然而，没有另外的外部元件时，该比值还可接受。全差分放大器的最后一个重要优点是它的RF抑制性能好。这一点应归功于其良好的CMRR和全差分结构。

可与计算BTL放大器同样的方法计算负载输出功率。该放大器也为全差分。要注意，一端上升时，另一端下降，反之亦然。同样，与地参考负载相比，倍增了负载电压摆幅。BTL的最大理论输出功率为：

对BTL放大器，这一扬声器电压倍增导致在同一电源端和负载阻抗的情况下，输出功率为原来的4倍。与前述的放大器相比，该类型放大器的最大优点在于噪声抑制能力好。

音频功率放大器的三个主要噪声源为：电源噪声、输入端耦合噪声、输出端耦合噪声。

通常情况下，电源变化会带来放大器输出小幅错误变化。PSRR为抑制该效应的能力，一般以分贝表示。例如，对TPA6203A1全差分音频放大器， 当电源电压为3.6 V时，在217 Hz~2 kHz 范围，PSRR值为87dB。使用标准PSRR公式，输出电压为：

对电源端500mV变化，差分输出电压变化为22 µV。

在TDMA 和 GSM手机中，最大的电压噪声来自RF级的开、关。GSM手机以217 Hz速率开、关。RF功率放大器打开时从电源汲取高电流。结果，电源降低幅度达到500 mV。PSRR差的音频放大器会在扬声器上造成大于217Hz的谐波噪声。

为了了解速率为217Hz 且电源电压降为500mV时的影响，测试了三个全音频功率放大器，三种功率放大器为3.1W AB类TPA6211A1，1.25W AB类TPA6203A1和2.5W D类 TPA2010D1 (见图4).

对耦合到单端输入放大器的噪声，主要问题是它会被闭环增益放大，放大器输出出现不必要的噪声。除在放大器输入前进行滤波外，这种放大器实际上没有噪音抑制能力。

与之相比，全差分放大器抑制噪音能力很好。这种放大器只放大两输入端的输入差。结果，所有耦合到差分输入迹线的共模干扰将被放大器有效去除。理解这种输入耦合噪声抑制的最好方法是看CMRR：

以TPA6203A1 1.25W全差分AB类放大器为例，观察CMRR如何影响放大器AC噪音抑制。首先，由上述CMRR公式解出输出电压：

对增益为1 V/V，在20 Hz ~20 kHz之间，TPA6203A1的CMRR为74 dB。假设耦合到两个输入的共模噪声均为100 mV，传输到输出的噪声可由下式解出：

该式得到差分放大器输出纹波为20µV。对单端输入放大器，结果为100 mV乘以闭环增益。

使用BTL输出配置时，从扬声器听到的最常见噪声是在217 Hz时的RF功率放大器开关产生的。一般情况下，该开关听起来为滴答声或嗡嗡声。要了解为什么BTL放大器对耦合到其输出的噪声没有抑制，请参见图5和图6。

在开状态，射频功率放大器向基站发射数据。在实验室，测试者在离音频放大器10 cm外拿一个GSM手机，观察音频功率放大器输出信号。该噪声看起来像被方波门控的RF信号。实际的屏幕截图如图5所示。

观察全带宽(>20 MHz)，可以看出，各放大器输出都截取到信号。然而，这并没什么影响。扬声器不能在如此高的频率重新产生信号。但是，当观察BTL结构的有限带宽(<20 MHz)时，反向跟随器(BTL 放大器)试图对千兆赫信号作出响应，造成其输出(OUT)以门控方波(对GSM为217 Hz)速率降低。这些降低反过来导致扬声器发出滴答声或嗡嗡声。

对本测量，噪声在输出端而不是从输入端加入。当带宽受限时，因其输入IN没有噪声加入，所以OUT+相对保持恒定。因OUT+为OUT的输入，所以OUT有很多纹波。从OUT+ 到OUT的反向放大器试图对射频波作出响应，但却只对低频有响应。如果在输入端也加入噪声，因CMRR差，OUT+噪音会大许多。

全差分放大器输出加入的噪声与典型BTL放大器的相同。当带宽受限时，因对输入有差分反馈，不表现出噪声。这一效应可见图6。这里，将GSM手机靠近BTL和一全差分放大器。截取产生的波形。与典型BTL放大器相比，全差分放大器对RF噪声的抑制显然要好。

本文小结

在便携无线通讯器件中，音频功率放大器易受恶劣环境带来的噪声的影响。典型的BTL音频功率放大器有几种局限性。如果噪声耦合到放大器输入、输出和电源，会造成滴答声或嗡嗡声。比较而言，全差分放大器在这种场合表现优异。由于有全差分反馈和能消除RF整流的影响，它可将手机的嗡嗡声降到最低。

作者：Mike Score, Nicholas Holland