音频运放电路简介

作者:尧志文

日期:2017.05.19

1机顶盒音频运放电路

基本音频运放种类回顾

音频指标测试

音频运放芯片简介

1.音频运放种类回顾

1.1常见的音频运放种类(A类、B类、AB类、D类)

目前的消费类数字音频回放包括两个部分：1.数字信号转为模拟音频的高精度DAC；2.使用模拟运放电路进行音频信号的功率放大电路；

对于机顶盒来说，虽然大部分主控芯片具备I2S接口可以驱动外置的高精度DAC模块，但实际上数模转换的实现一般由主控芯片内置DAC完成，因此，对于单纯的硬件调试来说，主要调节外置的模拟运放电路。

模拟运放电路的种类使用的比较多的有A类、B类、AB类、D类，对于种类的区分是根据运放电路输出端晶体管的导通角度/周期来区分的，如下就简单回顾一下这几类运放。

1.1.1 A类运放

放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近，晶体管在输入信号的整个周期内均导通，没有信号输入的时候，晶体管也在工作。从而效率比较低，理论计算最大只有25%。所以这类运放不能做成集成运放，热量太大，只能使用大个的封装。

备注：对于电子产品的热量来说，实际消耗了多少功率，就有多少热量产生，大功率的器件需要大成本的散热材料。

放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以失真较小。

胆机

A类功放由于效率低在主流的集成运放大量使用的电子产品没有使用。由于音质失真小，在一些HIFi的用户群体中有使

用，音响杂志上也经常有这种功放，属于高端品，不过这种功

放是用真空管做的，不是晶体管。这种功放产品外形美观，比单纯的PCB主板好看，价格比较贵，一般在3万以上，属于发烧骨灰级别。

1.1.2 B类运放

放大器的静态点在（VCC，0）处，当没有信号输入时，输出端

几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波（如图虚线部分所示），所以必须用两管推挽工作。其特点是

效率较高（78%），这种推挽输出

的电路也就是OCL输出，属于一种UNBALANCE输出方式，供电需要双极性电源。

但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是“交越

失真”较大。即当信号在-0.6V~ 0.6V之间时，Q1 Q2都无法导通而引起的，导通角度180°。AB类的运放可以消除交越失真，导通角度大于180°，所以B类运放已经被淘汰了。

1.1.3 AB类运放

效率高于A类放大器，失真低于B类放大器。通过对电路中的两个晶体管进行偏置，使信号接近零（B类放大器引入非线性的工作点

）时两个晶体管导通;大信号时，晶体管转换到B类工作方式。由此

可见，小信号时两个晶体管均保持有效工作，类似于A类放大器;大信号时，相应于波形的每半周，只有一个晶体管保持有效状态，类似于B类放大器。

1.1.4 D类运放

D类（数字音频功率）放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM（脉冲亮度调制）或PDM（脉冲密度

调制）的脉冲信号，然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点。放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路和低通滤波器（LC）等四部分组成。这类功放因为开关频率高，需要注意EMI问题。

1.1.5 差分输入

前面所说的功放分类都是以输出端的晶体管导通周期来分类的，关注点在输出，且输入端直接为运放晶体管的基极或者栅极，实际上目前使用在机顶盒上的音频运放都是集成运放，不是简单的晶体管搭建，内部头添加了差分输入的输入级。如下是经典的4558

运放芯片内部结构电路，输入级为差分输入，输出为AB类运放输出。差分输入特点：具有很好的共模信号的抑制能力强。

差动放大电路的基本形式对电路的要求是：两个电路的参数完全对称两个管子的温度特性也完全对称。基于这一点，我们在配置集成运放电路的反馈电阻时，尽量保持N、P端的阻抗相等。

2.音频指标测试

2.1国内音频测试的相关标准国内对于传统机顶盒的音频标准在GYT 241-2009这一份文件中有

具体说明。这份文件中没有查阅到具体要求使用的测试设备、测试码流，只对音频输出做了要求，且这份标准为广电标准，移动、联通、电信标准又有不同，所以对于OTT盒子的OEM、ODM项目，需要同客户确认清楚具体使用什么码流进行测试，因为码流不同测试的结果会不同，广电的标准只能作为测试的参考。

2.2公司的测试标准

公司测试标准以及方法都是参考国家标准而制定的或者进行部分增减，只要保证关键的几项指标满足要求就可以。

由于客户不同，有时候也需要调整测试标准，比如有些客户要求输出幅度必须大，比如3Vrms以上，可能会出现音频谐波失真不过，这些需要同客户说明，客户接受就可以忽略该项指标，所以测试标准可能会需要随时做调整。

2.3兆驰内部测试要求

兆驰内部对音频测试的要求比较精简，这些测试主要有测试设备的能力所决定。

测试项目测试信号

1KHz,0dBfs (BLUE.ts)

标准

>8dBu

定义及影响

定义：设备输出的音频信号电平

影响：电平偏低，将使声音变小；电平偏高，将使声音变大。

定义：在立体声模式、左右声道平衡状态下，左右声道的输出电平、相位差。

影响：两者不良都会影响立体声效果，出现重声。定义：传输通道音频输出端的信号电平与噪声之比

影响：数值越大越好，否则声音小，杂音大，甚至覆盖全部声音。

定义：音频通道的非线性引起的正弦波信号的谐波分量。影响：音频失真太大，将导致音质不纯，浑浊不流畅THD 加噪声

左右声道电平、相1KHz,0dBfs

(BLUE.ts)位差

音频信噪比S/N音频谐波失真THD 失真加噪声THD+N

1KHz,0dBfs (BLUE.ts)1KHz,0dBfs (BLUE.ts)

>70dB

隔离度/串扰

125Hz ※1KHz

>60dB>60dB

定义：音频通道在立体声输出模式时，左右声道之间的串音（左-右，右-左）。

影响：串扰不良将会使左右声道相互干扰，立体声分离度差，立体感不强。

10KHz ※>60dB

dBu:为了防止dBv和dBV相混淆（dBv和dBV是音频领域中两个不同的单位），特

意将dBv写成dBu的。在实际电路中，音频负载阻抗不可能总是匹配的，可能是不知道的，比如VM700是600Ω，兆驰内部的音频测试仪可以设置为100K或者10K，目前电视机的音频输入实际是10K或者以上，因而实际有效功率是不明确的,那求出的值亦是不准确的

。严格的讲，使用dBv或dBu来求取数值时.并不是一个正确的dB测量法,然而它所得的结果还是有用的，可以反推电压的值，VM700的电压值以

dBu为单位显示，且负载为600Ω。

dBm = 20log(E/0.775),dBu = 20log(E/0.775),

dBm 式子里的0.775V 是以600Ω求出的.dBv式子里的0.775V 则是假设它们是600Ω的,式中的E就是我们用示波器测试的电压有效值（例如：假设0dBfs时音频输出幅度为12dBu，换算为电压有效值就是3.08V，最大值是4.36V，峰峰值为8.72V），使用VM700测试和兆驰内部设备测试的结果会有差异，但是不明显，因为运放的输出电阻非常小，负载600Ω或者100KΩ的值差异不大。

***电视机音频输入阻抗一般10K或者12K，然后经过耦合电容到主控芯片，如下。

3.音频运放芯片简介

3.1音频运放芯片的参数

音频芯片的选择需要确认是使用2Vrms还是3Vrms的运放，以此来确定芯片供电的值，目前大多芯片已经全部兼容5V/3V供电，所以供电不必再做兼容。如果是2Vrms输出要求，甚至有些主控内部已经集成了这一规格的运放，比如Mstar的MSD7T75，其余的参数比如SNR等可以参考TI同类型的芯片规格，比如DRV603

3.2 TPF605芯片电路的例子

公司内部现在使用较多的运放为3PEAK、帝奥、圣邦微等品牌。这里以3PEAK的TPF605为例进行分析运放电路的工作原理。

3.2.1 输入、反馈电路

一些DAC需要外置的低通滤波器消除带外噪声，外置音频运放除了放大作用之外也作为滤波器存在音频电路中。TFP605内部是单运放，最高只能设计二阶滤波器，更高阶的滤波器由多个一阶或二阶滤波器串

联而成，常见的二阶滤波器有巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔这3种滤波器，这三种滤波器有对应的特点。巴特沃斯：最大幅度平坦度切比雪夫：等纹波幅度贝塞尔：最大延时平坦度

如下是5阶巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔单位增益MFB低通滤波器

实现滤波器的拓扑有两种：MFB和Sallen-KeyMFB拓扑：对元器件值的改变敏感度低；

Sallen-Key拓扑：同相放大，增益精准，极点Q值低

所以对于机顶盒内部的音频运放来说，元器件值的改变可能性更高，

因此使用的电路都是MFB拓扑，如右图

MFB传递函数：

任意的一个二阶低通滤波器，其传递函数均为：

且a1、b1的值具体选择可以查表，不同的值可以形成不同的滤波器，

对比两个公式得到

在C1、C2值确定之后，就可以确定R1、R2、R3的值

为了R2为实数值，

一般C1取值为100pF级系数,比如DGLC32中C1的值为100pF，音频运放一般为巴特沃斯滤波器，所以a1=1.4142，b1=1，放大倍数A0设置为-3.9，则C2≥980pf，这里取1nF，音频3dB点fc一般取25KHz左右：带入到R2的等式求得R2=38649Ω，就近取39K，所以R1=10K；带入到R3的等式求得R3=10486Ω，就近取10K；

使用公式方法计算量比较大，简单的方式可以使用软件工具，比如TI的FilterPro，或者网页，MFB拓扑仿真链接如下：

http://sim.okawa-denshi.jp/en/OPtazyuLowkeisan.htm

确定选择的滤波器类型，比如二阶巴特沃斯滤波器，通过查表得到a1=1.4142，b1=1，然后确定合适的反馈补偿电容值C2，

注意：这里的位号，仅在当前页面有效。

再确定C1，然后音频的Q值以及阻尼系数ζ 设置相同，均为0.707，设置完成之后点击页面下方的Calculate即可得出R1、R2、R3的值，可以看出，与实际使用的值基本接近。

3.2.2输出电路

输出电路为一个RC滤波电路，Riso的加入可以避免当负载为较大的容性负载时，因输入信号频率高而使得闭环相位余量不够，从而发生振

荡，运放电路不稳定。Riso的值在芯片规格上有说明，一般50Ω以上即可。

3.2.3负电压电路

因为TFP605芯片的输出是一个AB类的运放，所以在作为OCL电路时，是需要双电源供电的，其内置有一个电荷泵电路，TFP605资料内没有

对这部分电路进行详细的说明，同类型的芯片DRV603资料有说明，内

部电路如下，这是一个典型的Dickson电荷泵理论电路。

电荷泵的工作原理为：

①时钟模块上电启振，产生频率大概330KHz的时钟来控制4个MOS管的通断；②当模拟开关Q2、Q4闭合，模拟开关Q1、Q3断开时，输入的正电压VCC向C2充

电（左正右负），C2上的电压为VCC；当模拟开关Q1、Q3闭合，模拟开关Q2、Q4断开时，C2向C1放电（上负下正），C1上充的电压为－VCC，即PVSS＝－VCC。当振荡器以较高的频率不断控制模拟开关Q2、Q4及模拟开关Q1、Q3的闭合及断开时，在输出端可输出变换后的负电压（电压转换率可达99％左右）。

如下两幅图片的波形为电荷泵电路CP端和CN端的电压波形，可以明显的反应出运放内部的时钟频率是330KHz，PVSS端的电压会稳定在-VCC

C1、C2的取值

Dickson电荷泵电路的结构看出C1=C2，这个值的大小一般根据芯片手册的推荐值选定，因为运放芯片内部产生的时钟是确定的，MOS管参数也是确定

的，电容的值与这些芯片内部参数有关。

一般来讲，芯片内部产生的时钟频率越高，电容的值可以取得越小。以目前TFP605内部330KHz的频率，电容的取值100nF左右。

①电容值取得越大，也能产生负电压，不过负电压的稳定时间会久一些；②电容值小，则产生负压不正常，因为电容蓄电不够，如下是C为1nF时，PVSS端的电压波形；

3.2.4 EN、UVP引脚功能

EN和UVP均为控制运放内部时钟模块的作用，可以认为EN是数字控制，UVP为模拟控制。

EN可以在机器上电的过程延长音频静音时间，比如在boot启动阶段，UVP控制功能早已经放开，即电压已经稳定，而boot阶段的系统可能

由于不稳定，会有音频输出，所以这个时候要将EN失能，即关闭音频运放输出。

UVP则不同，只在上电、掉电过程中检测电源是否稳定，静音作用时间短，R11与R12需要使用1%精度的电阻，R13保持远大于R11//R12。

27谢谢！