選擇合適放大器提高便攜電子產(chǎn)品揚(yáng)聲器效率分析

　　隨著時(shí)間的推移，便攜式設(shè)備音頻放大電路的使用模型已經(jīng)得到了長足的發(fā)展。例如：在蜂窩電話的主要功能還是簡單地從靠近耳朵的揚(yáng)聲器再現(xiàn)語音時(shí)，聽筒僅需非常小的功率。另外，像總諧波失真（THD）、噪聲和信噪比（SNR）等音頻質(zhì)量也很少需要考慮。

　　語音一般由高峰值因數(shù)、低占空比的信號(hào)組成，因此，語音需要很低的平均功率，而在效率方面則無需多加考慮。由于射頻和顯示功能在蜂窩電話的總功耗中占主要部分，因此大多數(shù)效率問題都涉及非音頻電子元器件。

　　但最近，蜂窩電話和其它便攜式電子產(chǎn)品都集成了聽筒、耳機(jī)揚(yáng)聲器和近場揚(yáng)聲器（用于免提操作）。另外，再現(xiàn)音樂（MP3文件）和電影聲道也給音頻通道帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。結(jié)果，音頻通道的功耗不再是枝節(jié)問題，而是成為了功率泄漏的主要渠道。而且，低保真度的聲音再現(xiàn)也成為了過去時(shí)，如今的音頻傳輸要求100dB以上的信噪比和小于0.1%的總諧波失真。

　　耳機(jī)放大器

　　聲學(xué)音頻功率放大器一般分成兩種工作類型：耳機(jī)放大器（HPA）和揚(yáng)聲器放大器（SPA）。耳機(jī)放大器必須驅(qū)動(dòng)32Ω或16Ω揚(yáng)聲器高達(dá)30mW，并且還要保持非常高的音頻質(zhì)量（典型值是105dB SNR，0.01%THD和20kHz帶寬）。不過，對耳機(jī)應(yīng)用來說，30mW是一個(gè)非常高的輸出功率，它高到足以使人感到疼痛。典型的收聽電平在100μW至1mW之間。

　　在32Ω負(fù)載上產(chǎn)生30mW功率需要1.4V的峰值信號(hào)擺幅，同時(shí)，還要為IR壓降準(zhǔn)備額外的余量。因此，通常使用±1.8V的供電電壓來達(dá)到30mW的輸出功率。

　　典型的耳機(jī)線纜包含3根：兩根分別用于左右驅(qū)動(dòng)信號(hào)，另一根則用于公共的返回地。此外，還可能需要增加其它線路用于音量控制、靜音或麥克風(fēng)輸出。在這樣的配置下，立體聲耳機(jī)放大器必須采用單端輸出。

　　但是如果供電采用單電壓軌，這將導(dǎo)致很大的直流偏置問題。為了避免使用大的交流耦合電容，大多數(shù)耳機(jī)放大器采用分離電源供電，即通常用一個(gè)片上逆變電荷泵產(chǎn)生負(fù)電壓軌。

　　大多數(shù)耳機(jī)放大器采用線性放大器（例如：A/B類輸出級(jí)的變體）來實(shí)現(xiàn)耳機(jī)放大器所要求的高品質(zhì)音頻性能。傳統(tǒng)的A/B類放大器由A類和B類工作模式組成。這類放大器一般設(shè)計(jì)為在低輸出功率時(shí)主要工作在A類。由于交越失真很小，所以A類狀態(tài)可以提供最佳的音頻性能。

　　B類工作模式在高輸出電平時(shí)生效，這時(shí)，它具有比A類更高的效率。但是，B類工作模式具有較高的交越失真?？傊?，A/B類放大器可以取得非常低的總諧波失真，因?yàn)榻辉绞д娲蟛糠挚梢杂砷]環(huán)反饋衰減掉。

　　在恒定供電條件下，A/B類放大器效率正比于輸出電壓擺幅。為了挽回低輸出功率時(shí)的效率損失，可以使用“G類工作模式”技術(shù)來降低低電平信號(hào)時(shí)的電壓軌值。

　　需要用一個(gè)電路來檢測輸入信號(hào)電平。如果該電平超過一個(gè)預(yù)先確定的門限值，就可以根據(jù)需要將電壓軌抬高到更高的值。大多數(shù)G類放大器具有兩個(gè)電壓軌值：一個(gè)用于大信號(hào)擺幅的高軌值（VDD），以及一個(gè)用于低電平信號(hào)的只有VDD一小部分（如VDD的1/2）的低軌值。這樣，在滿刻度輸出功率1/4處的信號(hào)效率近似等于滿刻度功率信號(hào)時(shí)的效率。

　　G類工作模式的一個(gè)變體被命名為“H類工作模式”，此時(shí)供電軌隨著峰值信號(hào)要求連續(xù)變化。這樣可以最大限度地提高所有信號(hào)電平點(diǎn)的效率。但由于電路設(shè)計(jì)和工藝限制的原因，H類工作模式的最小電壓軌值是受限的。

　　一些制造商將術(shù)語“H類”套用到實(shí)際上是工作在G類的耳機(jī)放大器上。真正的H類工作模式在目前的IC耳機(jī)放大器中幾乎很少見到。

　　揚(yáng)聲器放大器

　　便攜式電子產(chǎn)品中的揚(yáng)聲器放大器（用于免提和揚(yáng)聲器話機(jī)工作等近場應(yīng)用）通常需要驅(qū)動(dòng)8Ω或4Ω的揚(yáng)聲器。典型的收聽電平落在100至300mW范圍，但I(xiàn)C放大器通常能夠提供1至2.7W的平均輸出功率，峰值輸出則接近該電平的兩倍。

　　為了在8Ω負(fù)載上產(chǎn)生1.7W功率，揚(yáng)聲器放大器必須向揚(yáng)聲器負(fù)載提供5.2V峰值或約3.7V有效值的電壓。考慮到IR壓降方面的余量，一個(gè)1.7W的揚(yáng)聲器放大器一般使用5.5V的電壓軌。如果用更大的開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)更低的IR壓降，那么稍高于1.8W也有可能。這些輸出功率值具有1%的總諧波失真。在總諧波失真為10%時(shí)，可以產(chǎn)生更大的輸出功率。

　　一般來說，在便攜式音頻產(chǎn)品中，近場揚(yáng)聲器不會(huì)再現(xiàn)高質(zhì)量音頻。因此，揚(yáng)聲器放大器通常無需達(dá)到耳機(jī)放大器的音頻性能。典型的音頻性能是全功率時(shí)1%的總諧波失真，10kHz帶寬和94dB信噪比。

　　與耳機(jī)放大器相比，效率對揚(yáng)聲器放大器來說是一個(gè)更加重要的因素，因?yàn)閾P(yáng)聲器放大器的功率電平要高得多。耳機(jī)放大器的效率一般低于50%--這并不算高，但與具有4.7Wh容量的電池相比卻是很小的功耗（對正常收聽電平來說約為電池容量的0.01%）。然而，工作在1W的揚(yáng)聲器放大器同樣50%的功耗卻等于0.5W，或約為電池容量的10%.

　　D類揚(yáng)聲器放大器

　　耳機(jī)放大器和揚(yáng)聲器放大器工作效率對比的重要性，是在一個(gè)或另一個(gè)收聽模式中所花時(shí)間的函數(shù)。比方說，蜂窩話機(jī)在揚(yáng)聲器模式時(shí)會(huì)消耗更多的功率，因此效率就變得非常重要?？梢允褂镁€性放大器（如A/B類）來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器（過去經(jīng)常如此），但今天首選的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器卻是D類放大器。D類揚(yáng)聲器放大器可以在很寬的輸出功率電平內(nèi)保持高效率，而只有在功率電平低于全功率的1%至2%時(shí)，效率才開始下降。

　　D類放大器不是線性的，而是一種開關(guān)放大器。在開關(guān)放大器中，高頻載波（相對于音頻頻帶）會(huì)對音頻輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，一般從100kHz至1MHz.因此，輸出級(jí)可以被“數(shù)字”切換（軌到軌），從而將輸出功率器件置于開（on）或關(guān)（off）狀態(tài)，這正是最高效率點(diǎn)。

　　開關(guān)放大器通常配置在電橋模式，以差分方式驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器負(fù)載，這樣可以避免使用輸出交流耦合電容。因?yàn)殡姌蚰Ｊ降姆糯笃髅總€(gè)通道使用4個(gè)功率開關(guān)，所以體積是單端輸出級(jí)放大器的兩倍。然而，在給定電壓軌條件下，電橋模式輸出級(jí)的輸出功率卻是單端放大器的4倍。

　　D類放大器可以實(shí)現(xiàn)很高的效率，一般超過90%.但是使用這類放大器也有缺點(diǎn)。因?yàn)橐纛l內(nèi)容現(xiàn)在是調(diào)制過的信號(hào)，所以必須通過某種低通濾波器（LPF）解調(diào)后，才能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器負(fù)載。不會(huì)造成效率損失或失真問題的大功率LPF不僅體積大，而且價(jià)格昂貴，因此，在便攜式設(shè)備中無法使用。

　　然而，便攜式設(shè)備中的揚(yáng)聲器本身就是一個(gè)LPF，它可以向典型的載頻提供高阻抗。在像蜂窩話機(jī)這樣的便攜式設(shè)備中，經(jīng)常將揚(yáng)聲器用作LPF，并用它解調(diào)開關(guān)放大器的輸出信號(hào)。有時(shí)，在D類的輸出端串聯(lián)一些鐵氧體磁珠來減少大功率開關(guān)輸出所產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）。由于揚(yáng)聲器具有高阻抗，其調(diào)制信號(hào)僅耗散非常小的能量，因此能夠保持很好的效率。

　　但是當(dāng)揚(yáng)聲器放大器輸出和揚(yáng)聲器負(fù)載之間使用長線，并且沒有獨(dú)立的低通濾波器時(shí)，使用開關(guān)放大器會(huì)帶來嚴(yán)重的EMI問題?；谶@個(gè)原因，如果耳機(jī)位于長線的末端，耳機(jī)放大器就不會(huì)使用D類放大器。因此，D類放大器應(yīng)靠近揚(yáng)聲器負(fù)載，以避免產(chǎn)生過多的電磁干擾輻射。

　　業(yè)界也經(jīng)常使用其它類型的揚(yáng)聲器放大器，但大多數(shù)是本文所述的線性和開關(guān)模式放大器設(shè)計(jì)的變體。在現(xiàn)代便攜式電子產(chǎn)品中，對更高電池能量的需求與日俱增。用于視頻內(nèi)容的高分辨率大型彩色顯示器，高分辨率相機(jī)和閃存，以及大功率音頻輸出都會(huì)影響電池壽命。為了延長電池運(yùn)行時(shí)間，提高音頻揚(yáng)聲器放大器的效率隨即成為了重要的設(shè)計(jì)考慮因素。