隨著時間的推移,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聲器再現(xiàn)語音時,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、耳機揚聲器和近場揚聲器(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擔。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,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。
耳機放大器
聲學音頻功率放大器一般分成兩種工作類型:耳機放大器(HPA)和揚聲器放大器(SPA)。耳機放大器必須驅(qū)動32Ω或16Ω揚聲器高達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,對耳機應用來說,30mW是一個非常高的輸出功率,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負載上產(chǎn)生30mW功率需要1.4V的峰值信號擺幅,同時,還要為IR壓降準備額外的余量。因此,通常使用±1.8V的供電電壓來達到30mW的輸出功率。
典型的耳機線纜包含3根:兩根分別用于左右驅(qū)動信號,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、靜音或麥克風輸出。在這樣的配置下,立體聲耳機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)耳機放大器采用分離電源供電,即通常用一個片上逆變電荷泵產(chǎn)生負電壓軌。
大多數(shù)耳機放大器采用線性放大器(例如:A/B類輸出級的變體)來實現(xiàn)耳機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)計為在低輸出功率時主要工作在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生效,這時,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,因為交越失真大部分可以由閉環(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)來降低低電平信號時的電壓軌值。
需要用一個電路來檢測輸入信號電平。如果該電平超過一個預先確定的門限值,就可以根據(jù)需要將電壓軌抬高到更高的值。大多數(shù)G類放大器具有兩個電壓軌值:一個用于大信號擺幅的高軌值(VDD),以及一個用于低電平信號的只有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處的信號效率近似等于滿刻度功率信號時的效率。
G類工作模式的一個變體被命名為“H類工作模式”,此時供電軌隨著峰值信號要求連續(xù)變化。這樣可以最大限度地提高所有信號電平點的效率。但由于電路設(shè)計和工藝限制的原因,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”套用到實際上是工作在G類的耳機放大器上。真正的H類工作模式在目前的IC耳機放大器中幾乎很少見到。
揚聲器放大器
便攜式電子產(chǎn)品中的揚聲器放大器(用于免提和揚聲器話機工作等近場應用)通常需要驅(qū)動8Ω或4Ω的揚聲器。典型的收聽電平落在100至300mW范圍,但IC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負載上產(chǎn)生1.7W功率,揚聲器放大器必須向揚聲器負載提供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1.7W的揚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,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,近場揚聲器不會再現(xiàn)高質(zhì)量音頻。因此,揚聲器放大器通常無需達到耳機放大器的音頻性能。典型的音頻性能是全功率時1%的總諧波失真,10kHz帶寬和94dB信噪比。
與耳機放大器相比,效率對揚聲器放大器來說是一個更加重要的因素,因為揚聲器放大器的功率電平要高得多。耳機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類揚聲器放大器
耳機放大器和揚聲器放大器工作效率對比的重要性,是在一個或另一個收聽模式中所花時間的函數(shù)。比方說,蜂窩話機在揚聲器模式時會消耗更多的功率,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)動揚聲器(過去經(jīng)常如此),但今天首選的揚聲器驅(qū)動器卻是D類放大器。D類揚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,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)會對音頻輸入信號進行調(diào)制,一般從100kHz至1MHz.因此,輸出級可以被“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。
開關(guān)放大器通常配置在電橋模式,以差分方式驅(qū)動揚聲器負載,這樣可以避免使用輸出交流耦合電容。因為電橋模式的放大器每個通道使用4個功率開關(guān),所以體積是單端輸出級放大器的兩倍。然而,在給定電壓軌條件下,電橋模式輸出級的輸出功率卻是單端放大器的4倍。
D類放大器可以實現(xiàn)很高的效率,一般超過90%.但是使用這類放大器也有缺點。因為音頻內(nèi)容現(xiàn)在是調(diào)制過的信號,所以必須通過某種低通濾波器(LPF)解調(diào)后,才能驅(qū)動揚聲器負載。不會造成效率損失或失真問題的大功率LPF不僅體積大,而且價格昂貴,因此,在便攜式設(shè)備中無法使用。
然而,便攜式設(shè)備中的揚聲器本身就是一個LPF,它可以向典型的載頻提供高阻抗。在像蜂窩話機這樣的便攜式設(shè)備中,經(jīng)常將揚聲器用作LPF,并用它解調(diào)開關(guān)放大器的輸出信號。有時,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)。由于揚聲器具有高阻抗,其調(diào)制信號僅耗散非常小的能量,因此能夠保持很好的效率。
但是當揚聲器放大器輸出和揚聲器負載之間使用長線,并且沒有獨立的低通濾波器時,使用開關(guān)放大器會帶來嚴重的EMI問題?;谶@個原因,如果耳機位于長線的末端,耳機放大器就不會使用D類放大器。因此,D類放大器應靠近揚聲器負載,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,高分辨率相機和閃存,以及大功率音頻輸出都會影響電池壽命。為了延長電池運行時間,提高音頻揚聲器放大器的效率隨即成為了重要的設(shè)計考慮因素。