G/H類(lèi)音頻放大器：如何實(shí)現(xiàn)高音質(zhì)和低功耗

　　傳統(tǒng)上，音頻播放設(shè)備采用所謂的AB類(lèi)放大器，此類(lèi)放大器失真小，從而產(chǎn)生較高的音質(zhì)。然而，AB類(lèi)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(lèi)拓?fù)涞姆椒?。本文要探討的?wèn)題在于，通過(guò)使用G類(lèi)或H類(lèi)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(lèi)或H類(lèi)放大器，那么采用G類(lèi)或H類(lèi)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.elecfans.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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)和H類(lèi)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?xún)?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(lèi)和H類(lèi)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(lèi)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(lèi)放大器，H類(lèi)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(lèi)放大器，H類(lèi)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(lèi)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(lèi)和H類(lèi)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(chēng)為VSUPMIN。

　　圖2顯示了不同類(lèi)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(lèi)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(lèi)放大器則支持1.5V和1.2V之間的額外電壓水平。G類(lèi)和H類(lèi)放大器可明顯降低功耗。

　　此外，相對(duì)于AB類(lèi)放大器，采用G類(lèi)或H類(lèi)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(lèi)/H類(lèi)放大器的簡(jiǎn)化框圖)。與AB類(lèi)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。可變電壓輸出需要在放大器輸出級(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(lèi)/H類(lèi)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(lèi)放大器控制單元、耳機(jī)放大器、G/H類(lèi)傳感器)

　　最佳和最差的H類(lèi)或G類(lèi)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(lèi)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(lèi)及AB類(lèi)架構(gòu)之間的功耗差異見(jiàn)圖4。

　　圖4：H類(lèi)與AB類(lèi)及G類(lèi)的功耗比較

　　結(jié)論

　　與廣泛使用的AB類(lèi)放大器相比，G類(lèi)和H類(lèi)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(lèi)放大器能額外節(jié)省30%的電力。