音頻是便攜式消費類電子設備不可或缺的一個重要組成部分。集成耳機音頻功率放大器有助于放大低功耗基帶音頻信號，以在使用耳機時驅(qū)動清脆、清晰的音頻。另外，這些放大器都需要具有極高的效率，以實現(xiàn)更長時間的電池壽命。為了迎接這種挑戰(zhàn)，廣大設計人員將使用G類音頻放大器拓撲結(jié)構(gòu)。
效率的定義為輸出功率（向負載提供的功率）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的電池功率更少。為了改善便攜式音頻設備的電池使用壽命，放大器需要更高的效率。
典型的線性音頻放大器拓撲結(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。請參見表1和圖1。
表1 線性音頻放大器拓撲結(jié)構(gòu)
圖1 各種放大器拓撲的導電角
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。在橋接式負載 （BTL） 狀態(tài)下，該電源電流等于輸出電流。通過負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類拓撲為一種多電源的AB類拓撲變體。G類拓撲充分利用了典型音頻/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高于平均音頻信號 （RMS）。大多數(shù)時候，音頻信號都處在較低的幅值，極少時間會表現(xiàn)出更高的峰值。
新型G類拓撲使用自適應降壓轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生隨音頻信號移動的電源電壓。它為大多數(shù)平均音頻信號產(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偶發(fā)的峰值電壓。由于電源的自適應特性，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型。它在高音量音頻信號時升高，從而防止大峰值電壓失真，同時在小音頻峰值時下降來降低功耗。
音頻是便攜式消費類電子設備不可或缺的一個重要組成部分。集成耳機音頻功率放大器有助于放大低功耗基帶音頻信號，以在使用耳機時驅(qū)動清脆、清晰的音頻。另外，這些放大器都需要具有極高的效率，以實現(xiàn)更長時間的電池壽命。為了迎接這種挑戰(zhàn)，廣大設計人員將使用G類音頻放大器拓撲結(jié)構(gòu)。
效率的定義為輸出功率（向負載提供的功率）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的電池功率更少。為了改善便攜式音頻設備的電池使用壽命，放大器需要更高的效率。
典型的線性音頻放大器拓撲結(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。請參見表1和圖1。
表1 線性音頻放大器拓撲結(jié)構(gòu)
圖1 各種放大器拓撲的導電角
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。在橋接式負載 （BTL） 狀態(tài)下，該電源電流等于輸出電流。通過負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類拓撲為一種多電源的AB類拓撲變體。G類拓撲充分利用了典型音頻/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高于平均音頻信號 （RMS）。大多數(shù)時候，音頻信號都處在較低的幅值，極少時間會表現(xiàn)出更高的峰值。
新型G類拓撲使用自適應降壓轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生隨音頻信號移動的電源電壓。它為大多數(shù)平均音頻信號產(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偶發(fā)的峰值電壓。由于電源的自適應特性，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型。它在高音量音頻信號時升高，從而防止大峰值電壓失真，同時在小音頻峰值時下降來降低功耗。
G類拓樸工作原理
圖2描述了G類放大器的運行情況，其在低音頻電壓峰值時的電源電壓為1.3V，并在高峰值時自適應升高至1.8V。我們使用一個降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生這些低電源軌（請參見圖3）。
圖2 G類拓撲自適應移動放大器電源實現(xiàn)節(jié)能
圖3 G類耳機放大器結(jié)構(gòu)圖
G類放大器使用自適應電源軌，并利用一個內(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生耳機放大器正電源電壓 （HPVDD）。充電泵對HPVDD進行反相，并產(chǎn)生放大器負電源電壓 （HPVSS）。這樣便讓耳機放大器輸出可以集中于0V。音頻信號幅值較低時，降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個低HPVDD電壓 （HPVDDL）（請參見圖2）。這樣便在播放低噪聲、高保真音頻的同時最小化了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)生一個高HPVDD電壓 （HPVDDH）。HPVDD 上升速率快于音頻峰值上升時間。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HPVDD在避免削波和失真的同時最小化了電源電流。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類耳機放大器，G類放大器擁有更高的效率。
關于作者
Shreharsha Rao現(xiàn)任TI系統(tǒng)工程師，主要負責低功耗無線和RFID系統(tǒng)的應用開發(fā)。他獲得了電子工程碩士學位，喜歡遠足旅行，體育并且還加入了撲克聯(lián)賽。