G/H類音頻放大器：如何實(shí)現(xiàn)高音質(zhì)和低功耗

　　在傳統(tǒng)的高保真系統(tǒng)中，音頻放大器技術(shù)規(guī)格總是強(qiáng)調(diào)音質(zhì)的好壞，對(duì)功率損耗的程度卻很少考慮。然而，隨著音頻行業(yè)便攜式高保真領(lǐng)域的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)放大器器件的缺點(diǎn)，特別是它的低效率，已成為當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。

　　傳統(tǒng)上，音頻播放設(shè)備采用所謂的AB類放大器，此類放大器失真小，從而產(chǎn)生較高的音質(zhì)。然而，AB類放大器的運(yùn)行方式解釋了其效率低的原因：放大器內(nèi)部電壓會(huì)隨著輸出電壓降低而降低。放大器的晶體管會(huì)消耗過(guò)多的電力，因此，隨著輸出揚(yáng)聲器功率的下降，系統(tǒng)的效率便會(huì)降低。

　　對(duì)于電源供電的高保真設(shè)備來(lái)說(shuō)，這不是太大的問(wèn)題;但對(duì)于電池供電的音頻設(shè)備，如手機(jī)和MP3播放器而言，這是一個(gè)相當(dāng)大的困擾，因?yàn)橐纛l放大器的耗電量在整個(gè)系統(tǒng)中占有相當(dāng)大的比例。以MP3播放器為例，音頻放大器的耗電量占整體耗電量的比例高達(dá)80%。

　　因此，音頻設(shè)備設(shè)計(jì)師一直在尋找能夠強(qiáng)化AB類拓?fù)涞姆椒?。本文要探討的?wèn)題在于，通過(guò)使用G類或H類等新技術(shù)所達(dá)到的省電效果是否值得?如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)師采用了G類或H類放大器，那么采用G類或H類這兩種方法所帶來(lái)的功耗方面的差異，是否大到足以影響整體功率預(yù)算?

　　便攜式音頻設(shè)備的系統(tǒng)要求

　　手持設(shè)備使用的音頻放大器通常會(huì)驅(qū)動(dòng)一個(gè)16?或32?的阻抗，這兩種阻抗往往會(huì)消耗設(shè)備的大部分功率預(yù)算。這意味著任何有關(guān)功率放大器效率的改善，都能顯著提升整個(gè)設(shè)備的效率及電池使用時(shí)間。欲了解更多信息請(qǐng)登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.ttokpm.com)

　　如同我們看到的，影響傳統(tǒng)音頻放大器效率最重要的參數(shù)是峰值輸出功率。這主要由設(shè)備使用的耳機(jī)類型決定：相對(duì)于頭戴式耳機(jī)，耳塞式的峰值功率要求較低，不過(guò)兩個(gè)聲道的典型輸出功率值范圍為各4mW，總功率可高達(dá)2×30mW。

　　對(duì)32? 阻抗的耳機(jī)揚(yáng)聲器而言，若輸出功率為30mW，則需要±1.38Vpk的放大器輸出擺幅。這個(gè)應(yīng)用的放大器級(jí)將需要100-200mV的額外電壓空間。因此，耳機(jī)放大器的電源電壓將是2×1.5V = 3.0V

　　為避免使用對(duì)應(yīng)用而言太大的輸出DC退耦電容器，一般會(huì)使用電荷泵來(lái)產(chǎn)生耳機(jī)放大器所需的負(fù)電源軌，使音頻輸出運(yùn)行于電池接地點(diǎn)附近。這種配置便是"真接地"耳機(jī)放大器。它使用1.5V正電源; -1.5V電源軌則來(lái)自電荷泵。

　　最常用的電池類型是鋰離子電池，一般會(huì)產(chǎn)生3.6V輸出。高效的DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器能在不產(chǎn)生大幅損耗的情況下，將電池輸出轉(zhuǎn)換為正1.5V電源。這是AB類放大器常見(jiàn)的配置，典型系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

　　圖1：真接地耳機(jī)放大器。

　　(DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器、用于負(fù)電源的電荷泵、AB類放大器控制單元、耳機(jī)放大器)

　　高質(zhì)量DC-DC轉(zhuǎn)換器能以高達(dá)93%的效率將鋰離子電池電壓從3.7V轉(zhuǎn)換為固定的1.5V輸出電壓。相對(duì)于放大器晶體管消耗2.2V(3.7V電池電壓 -1.5V工作電壓)的情況，這個(gè)方法當(dāng)然更為有效率。

　　但是，這并不能掩蓋除了在高輸出電壓水平以外，晶體管仍然會(huì)消耗大量電能的事實(shí)。要解決這個(gè)問(wèn)題，需要改變放大器本身的電源配置，這就是開(kāi)發(fā)G類和H類放大器的原因。

　　匹配輸入電壓和輸出電壓

　　上述音頻放大器的功率數(shù)值為峰值功率值。實(shí)際上，需要這個(gè)最大電源電壓的時(shí)間極短;音頻信號(hào)具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。大部分的時(shí)間，輸出電壓均低于0.5V，而放大器的電源電壓卻可達(dá)到1.5V。輸出電壓和電源電壓之間的差異來(lái)自內(nèi)部放大器晶體管所消耗的部分，這是電力損耗的主要原因。

　　為解決這個(gè)問(wèn)題，G類和H類放大器采用的放大器電源電壓要在一定程度上滿足所需的輸出功率。G類放大器一般有兩種電源電壓水平。較高的電源電壓水平由所需的最大輸出功率決定。較低的電源電壓水平則由最小電源電壓決定，放大器能夠在這個(gè)電壓下工作，且這個(gè)電壓高于總諧波失真(THD)的閾值。

　　相對(duì)于G類放大器，H類放大器可根據(jù)輸出信號(hào)的要求平穩(wěn)地調(diào)節(jié)輸出電壓。因此，不同于G類放大器，H類放大器不受限于兩或三種固定輸出電壓。它能將來(lái)自降壓轉(zhuǎn)換器的最低允許電源電壓平穩(wěn)轉(zhuǎn)換為任意一種離散輸出電壓。

　　因此，H類放大器能以緊密匹配實(shí)際輸出電壓的電源電壓工作;減小電源電壓和輸出電壓之間的差異，降低所需的功耗。(見(jiàn)圖2)

　　圖2：不同放大器組態(tài)的功耗

　　事實(shí)上，由于音頻設(shè)備大多數(shù)時(shí)間都在最低允許電源電壓運(yùn)行，因此G類和H類放大器的功耗，以及耳機(jī)占系統(tǒng)總功耗的比例，或多或少是由總諧波失真閾限的較低電平的電源決定的。我們將此重要參數(shù)，亦即最小電源電壓稱為VSUPMIN。

　　圖2顯示了不同類型放大器在功耗方面的差異。每個(gè)放大器的正電壓和負(fù)電壓均以黑色虛線標(biāo)出。G類放大器可支持兩種不同的輸出電壓：1.5V和 1.2V (VSUPMIN)。另一方面，H類放大器則支持1.5V和1.2V之間的額外電壓水平。G類和H類放大器可明顯降低功耗。

　　此外，相對(duì)于AB類放大器，采用G類或H類拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)并不非常復(fù)雜，成本也沒(méi)有增加很多(圖3為G類/H類放大器的簡(jiǎn)化框圖)。與AB類放大器的主要區(qū)別在于，DC/DC轉(zhuǎn)換器不再有固定輸出電壓?？勺冸妷狠敵鲂枰诜糯笃鬏敵黾?jí)到DC/DC轉(zhuǎn)換器之間增加一個(gè)反饋信號(hào)，才能根據(jù)音頻信號(hào)調(diào)節(jié)輸出電壓。

　　圖3：G類/H類放大器框圖。

　　(DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器、用于負(fù)電源的電荷泵、AB類放大器控制單元、耳機(jī)放大器、G/H類傳感器)

　　最佳和最差的H類或G類放大器之間的差異程度

　　基于成本和可用性的考慮，耳機(jī)放大器一般采用CMOS技術(shù)制造。雖然VSUPMIN的理想值取決于放大器的電路設(shè)計(jì)，然而在實(shí)踐中往往取決于用以制造放大器的CMOS技術(shù)的最低閾值。

　　在現(xiàn)今的放大器設(shè)計(jì)中，VSUPMIN的定義是2×VTH+Vdsat。如果制造該器件的CMOS工藝可通過(guò)實(shí)現(xiàn)較低的晶體管閾值來(lái)支持較低的VSUPMIN值，將可以取得一個(gè)更好的結(jié)果。例如，如果放大器級(jí)以±1.2V的最低電源電壓運(yùn)行，則比播放相同音頻信號(hào)的±0.9V運(yùn)行的放大器增加了30%的功耗。

　　這正是奧地利微電子特殊的LowVT CMOS工藝的承諾。這些工藝已用于生產(chǎn)全新的AS3561器件。AS3561是一個(gè)H類放大器，可為耳機(jī)放大器提供低至±0.9 V的電源電壓。搭配高效率DC-DC轉(zhuǎn)換器及自適應(yīng)式電荷泵，它可將功耗降至最低：2 x 0.1mW播放的電池電壓為3.6V，典型電流消耗僅有1.7mA。這種高效率架構(gòu)與G類及AB類架構(gòu)之間的功耗差異見(jiàn)圖4。

　　圖4：H類與AB類及G類的功耗比較

　　結(jié)論

　　與廣泛使用的AB類放大器相比，G類和H類音頻放大器可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電源電壓，大幅改善電源效率。但是，對(duì)大部分時(shí)間在放大器的總諧波失真閾值工作的器件的分析顯示，采用低電壓閾值工藝技術(shù)制造的H類放大器能額外節(jié)省30%的電力。