信號(hào)鏈基礎(chǔ)知識(shí)（第 39 部分）：G 類音頻放大器構(gòu)架讓便攜式音頻設(shè)計(jì)者激動(dòng)不已
2011-04-19
作者：ShreHarsha Rao，TI 便攜式音頻產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理
音頻是便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備不可或缺的一個(gè)重要組成部分。集成耳機(jī)音頻功率放大器有助于放大低功耗基帶音頻信號(hào)，以在使用耳機(jī)時(shí)驅(qū)動(dòng)清脆、清晰的音頻。另外，這些放大器都需要具有極高的效率，以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的電池壽命。為了迎接這種挑戰(zhàn)，廣大設(shè)計(jì)人員將使用G 類音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
典型的線性音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為A 類、B 類、C 類和AB 類。雖然這些音頻放大器均為線性；但它們的效率并不是很高。請(qǐng)參見表1和圖1。
表1 線性音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
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拓?fù)?/strong> |
類別 |
描述 |
效率 |
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A類 |
線性 |
輸出器件持續(xù)導(dǎo)電 |
20% |
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B類 |
線性 |
輸出器件導(dǎo)電1/2 正弦周期。（一個(gè)在正區(qū)域?qū)щ?，一個(gè)在負(fù)區(qū)域?qū)щ姡┰诮徊纥c(diǎn)存在線性問題。 |
50% |
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AB類 |
線性 |
輸出器件導(dǎo)電1/2 周期以上，但小于整個(gè)周期，從而解決B 類的固有交叉失真問題。 |
50% |
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C類 |
線性 |
輸出器件導(dǎo)電1/2 周期以下。高度非線性，以及音頻輸入失真。 |
70% |
圖1 各種放大器拓?fù)涞膶?dǎo)電角
效率的定義為輸出功率（向負(fù)載提供的功率）與輸入功率（從電池吸取的功率）的比，用百分比表示。更高的效率意味著以熱損耗形式浪費(fèi)的電池功率更少。為了改善便攜式音頻設(shè)備的電池使用壽命，放大器需要更高的效率。
AB 類（線性）放大器具有固定的電源軌，消耗固定量的電源電流，以獲得理想的輸出電壓。在橋接式負(fù)載(BTL) 狀態(tài)下，該電源電流等于輸出電流。通過負(fù)載的電源電流致使所有輸出MOSFET 出現(xiàn)壓降。MOSFET 壓降增加的這些電流，在放大器中形成較大的功耗，這就是AB 類放大器效率僅為50% 的原因。
什么是G 類拓樸？
在極高電平條件下，G 類拓?fù)錇橐环N多電源的AB 類拓?fù)渥凅w。G 類拓?fù)涑浞掷昧说湫鸵纛l/音樂源都具有極高峰值因數(shù)(10-20dB) 的這一有利條件。這就意味著峰值音頻信號(hào)高于平均音頻信號(hào)(RMS)。大多數(shù)時(shí)候，音頻信號(hào)都處在較低的幅值，極少時(shí)間會(huì)表現(xiàn)出更高的峰值。
新型G 類拓?fù)涫褂米赃m應(yīng)降壓轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生隨音頻信號(hào)移動(dòng)的電源電壓。它為大多數(shù)平均音頻信號(hào)產(chǎn)生有充足余量的低電源電壓，并切換至高電源電壓來適應(yīng)偶發(fā)的峰值電壓。由于電源的自適應(yīng)特性，高峰值因數(shù)的典型音樂/音頻源的功耗得到極大降低。這樣便帶來更低的電池電流消耗，從而獲得比AB 類構(gòu)架更高的效率。
這種電源電壓為自適應(yīng)型。它在高音量音頻信號(hào)時(shí)升高，從而防止大峰值電壓失真，同時(shí)在小音頻峰值時(shí)下降來降低功耗。
G 類拓樸工作原理
圖2 描述了G 類放大器的運(yùn)行情況，其在低音頻電壓峰值時(shí)的電源電壓為1.3V，并在高峰值時(shí)自適應(yīng)升高至1.8V。我們使用一個(gè)降壓DC/DC 轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生這些低電源軌（請(qǐng)參見圖3）。
圖2 G 類拓?fù)渥赃m應(yīng)移動(dòng)放大器電源實(shí)現(xiàn)節(jié)能
圖3 G 類耳機(jī)放大器結(jié)構(gòu)圖
G 類放大器使用自適應(yīng)電源軌，并利用一個(gè)內(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生耳機(jī)放大器正電源電壓(HPVDD)。充電泵對(duì)HPVDD 進(jìn)行反相，并產(chǎn)生放大器負(fù)電源電壓(HPVSS)。這樣便讓耳機(jī)放大器輸出可以集中于0V。音頻信號(hào)幅值較低時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)低HPVDD 電壓(HPVDDL)（請(qǐng)參見圖2）。這樣便在播放低噪聲、高保真音頻的同時(shí)最小化了G 類放大器的功耗。
如果由于高音量音樂或者瞬態(tài)峰值音頻幅值增加，則降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)高HPVDD 電壓(HPVDDH)。HPVDD 上升速率快于音頻峰值上升時(shí)間。這樣便可防止音頻失真或削波。音頻質(zhì)量和噪聲層不受HPVDD 的影響。這種自適應(yīng)HPVDD 在避免削波和失真的同時(shí)最小化了電源電流。由于正常的聽力水平在200mVRMS以下，因此HPVDD 最常位于其最低電壓HPVDDL。所以，相比傳統(tǒng)的AB 類耳機(jī)放大器，G 類放大器擁有更高的效率。
下個(gè)月，我們將討論高速ADC 的頻率分配。
關(guān)于作者
Shreharsha Rao 現(xiàn)任TI 系統(tǒng)工程師，主要負(fù)責(zé)低功耗無線和RFID 系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。他獲得了電子工程碩士學(xué)位，喜歡遠(yuǎn)足旅行，體育并且還加入了撲克聯(lián)賽。