出色的音頻功能已是手機(jī)的重要特征，尤其是在多媒體手機(jī)中，高質(zhì)量的音頻技術(shù)不可或缺。在音樂(lè)手機(jī)這類多媒體手機(jī)中，D類音頻放大器是最合適的方案，它具有效率高、發(fā)熱少、功耗低，電池使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。而線性AB類放大器則擁有低成本優(yōu)勢(shì)。但是不論是D類功放，還是AB類功放都需要貼近手機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了很多需要解決的問(wèn)題，而只有解決了這些問(wèn)題才能使D類功放真正得以大量推廣。本文討論了手機(jī)上常用的單聲道D類功放容易出現(xiàn)的問(wèn)題，并介紹埃派克森小功率D類功放A7013如何解決這些問(wèn)題。

增益變化過(guò)高導(dǎo)致喇叭損壞

        手機(jī)上常用的單聲道D類功放采用外接輸出電阻(如圖1)調(diào)節(jié)增益，由于增益誤差引起喇叭損壞，這個(gè)問(wèn)題已逐漸引起手機(jī)廠商的關(guān)注。近期，國(guó)內(nèi)多家知名手機(jī)制造商均有反饋，在手機(jī)設(shè)計(jì)中采用大增益單聲道D類功放，終端客戶大音量播放聲音，長(zhǎng)期使用有損壞喇叭的現(xiàn)象，即使更換了包括國(guó)外大廠在內(nèi)的其他芯片，問(wèn)題仍沒(méi)有得到明顯改善。后來(lái)改用埃派克森微電子的D類功放A7013，返修現(xiàn)象大幅下降近８０％。

        眾所周知，半導(dǎo)體工藝很難獲得絕對(duì)值準(zhǔn)確的電阻，通常使用的多晶硅電阻的絕對(duì)值變化率為±20％，而外部電阻相對(duì)來(lái)說(shuō)絕對(duì)值較為精準(zhǔn)。因此當(dāng)客戶使用大增益工作的時(shí)候，增益容易偏移出喇叭的最大功率范圍，從而引起喇叭損壞。而半導(dǎo)體工藝中很容易獲得電阻相對(duì)值匹配的精準(zhǔn)，刻意匹配布局就能很容易達(dá)到0.1％的匹配精度，我們可以利用這一點(diǎn)來(lái)避免由于內(nèi)部電阻偏移引起的增益偏移，具體方案如下： 
  

圖1 傳統(tǒng)增益設(shè)置, 圖2 改進(jìn)后的增益設(shè)置

        方案一：如圖2所示，在保證外部增益可控的同時(shí)，片內(nèi)保留10k輸入電阻。(以下假設(shè)片外電阻不會(huì)有絕對(duì)值偏差)

        假設(shè)如圖1中300k芯片內(nèi)部電阻偏移20％，則增益會(huì)偏移20％，正常15倍的增益會(huì)偏移12到18倍，因此功率會(huì)超過(guò)額定功率。

        Gainmax＝300×120％/20＝18＝15×(1＋20％) 
        Gainmin＝300×80％/20＝12＝15×(1－20％)

        如果采用如圖2改進(jìn)后的增益設(shè)置，同樣假設(shè)300k電阻偏移20％，則內(nèi)部10k電阻也會(huì)同比例偏移20%(由于匹配精度可以達(dá)到0.1％)。 

       Gainmax＝300×120％/(10+10×120％)＝16.36＝15×(1＋9.1％)
       Gainmin＝300×80％/(10＋10×80％)＝13.33＝15×(1－11.1％)

        所以改進(jìn)后的方案中，增益最大值偏移9.1％，增益最小值偏移11.1％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于改進(jìn)前20％的偏移水平。
 
        方案二： 

        通過(guò)犧牲芯片成品率的方式，將芯片篩選到電阻漂移10％，同樣改進(jìn)后的方法也會(huì)獲得更精準(zhǔn)的增益上限，從而避免了手機(jī)廠商增益向大偏移而引起的喇叭損壞。 

        方案三： 

        產(chǎn)品也可以通過(guò)自動(dòng)增益控制(AGC)來(lái)實(shí)現(xiàn)，大功率時(shí)避免燒壞喇叭。但這種方案通常成本大大提高。

        由此可見(jiàn)，對(duì)于D類功放IC設(shè)計(jì)公司來(lái)說(shuō)，方案一不會(huì)增加成本，并且手機(jī)生產(chǎn)廠商在應(yīng)用時(shí)，也可以避免由于增益偏移而使喇叭頻頻被損壞的現(xiàn)象。A7013結(jié)合了方案一和方案二的優(yōu)點(diǎn)，在同類產(chǎn)品中唯一實(shí)現(xiàn)了成功而成熟的方案。

        此外，針對(duì)喇叭損壞的問(wèn)題，通過(guò)研究手機(jī)喇叭的響應(yīng)頻段可以發(fā)現(xiàn)，手機(jī)喇叭只能響應(yīng)300Hz以上的頻段，這就導(dǎo)致300Hz以下頻段的功率都作為熱損耗掉了。改變輸入電容可以改變輸入信號(hào)帶寬，濾除不能被喇叭響應(yīng)的頻段功率，從而降低了峰值功率，對(duì)喇叭的可靠性也有一定影響。

改善外部噪聲干擾

        圖2中給出的方案對(duì)于改善噪聲干擾也有一定的優(yōu)勢(shì)。在圖1中，如果客戶布局不慎，在運(yùn)放輸入端耦合微弱噪聲，則該噪聲會(huì)被以運(yùn)放開環(huán)增益(上萬(wàn)倍)的倍數(shù)放大，在喇叭中就會(huì)出現(xiàn)聽得到的耦合噪聲。而采用圖2中的方案，只要芯片內(nèi)部在運(yùn)放輸入端做相應(yīng)考慮，則在外部輸入引腳引入的微弱噪聲只能放大幾十倍，從而大大方便了客戶在這部分的布局。

改善功放音效

        近年來(lái)人們對(duì)于D類功放的通常印象是高電源效率和較差的音質(zhì)，針對(duì)D類功放的音質(zhì)，業(yè)界一直有爭(zhēng)論，埃派克森A7013采用自主專利的增強(qiáng)反饋架構(gòu)(EFS)改善D類功放的音質(zhì)。做到高電源效率的同時(shí)，又極大改善了D類功放的失真，從而使得D類功放在音質(zhì)和效率方面都獲得極大優(yōu)勢(shì)。

        如圖3和表1，可以看出EFS技術(shù)改善D類功放失真的作用，在整個(gè)功率范圍內(nèi)采用EFS技術(shù)的A7013失真均做到了最低；同時(shí)由于高功率THD＋N的改善，A7013在1％以下失真的最大功率方面也有突出表現(xiàn)。
 

圖3 采用EFS方案對(duì)THD＋N的改善。(圖中所引用數(shù)據(jù)均來(lái)自產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè))

表1 采用EFS方案其他性能的改善。(表中所引用數(shù)據(jù)均來(lái)自相應(yīng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè))

本文小結(jié)

        埃派克森D類功放A7013在保持其高效率、低失真的同時(shí)，考慮了客戶具體應(yīng)用中的問(wèn)題，在可靠性和性能方面提供了完善的解決方案。A7013 具有WCSP9和DFN8兩種封裝，已經(jīng)在手機(jī)設(shè)計(jì)廠商和品牌客戶中大量應(yīng)用。