D類升壓放大器驅動揚聲器的電壓高于供電電壓，由于可以用單節(jié)鋰離子(Li+)電池供電就能實現(xiàn)較高性能的音頻，這類放大器應用廣泛。然而，大多數(shù)D類升壓放大器并不為用戶提供內部升壓后的電壓，這就使復用揚聲器難以利用常見的模擬開關實現(xiàn)多路音頻源。本文中，我們討論如何利用擺幅電容電荷泵使模擬開關能連接這些信號，而無需附加外部電路。
擺幅電容電荷泵
我們首先從擺幅升壓電容的基礎電路開始討論，該技術早已被用于產(chǎn)生高于電源的電壓，以及提供負電源。只要每次加一點點的力量，即使小朋友也能讓秋千蕩得很高。擺幅升壓電容(這里指電荷泵)電源的原理與此類似。
圖1. 小朋友在院子里玩秋千時，添加的能量，使他們的小伙伴蕩的越來越高。
現(xiàn)在，請觀察圖2，我們假設VCC為5V。明白這點之后，我們就能明白簡單的兩級擺幅電容電荷泵的工作原理。首先，通過圖中所示頂部的兩個開關將C1充電至VCC。然后，將頂部的兩個開關置于與圖2所示相反的位置。現(xiàn)在，C1的負端連接至VCC，正端連接至C3+和V+。第一級C1中儲存的電壓(+5V)疊加至VCC (+5V)，在V+上產(chǎn)生+10V電壓。
另外一個擺幅電容C2用于產(chǎn)生負電源V-。將C2兩側的兩個開關置于與圖2所示相反的位置。C2的正端連接至V+，負端連接至地。然后切換C2各端的開關，因此將C2的正端接地，將負端連接至C4和V-，以形成負電源。
圖2. 利用擺幅電容電荷泵轉換電壓。
擺幅電容電荷泵極成功地被用于計算機的串行通信系統(tǒng)。RS-232(現(xiàn)稱之為EIA/TIA-232)標準頒布于1962年，現(xiàn)在仍通用，并且已經(jīng)被許多工業(yè)應用所采用2。RS-232標準要求信號擺幅至少為±5V，早期集成電路RS-232收發(fā)器的工作電源為±12V至±15V。上世紀80年代中期，Maxim Integrated Products推出了使用擺幅電容電荷泵的IC，與圖2所示類似。器件允許利用單端+5V電源實現(xiàn)全部功能RS-232通信。早期的MAX232仍然在產(chǎn)，并且自始至終是銷售最好的器件之一。
由于那些早期工業(yè)通用電源現(xiàn)在已經(jīng)降至3V或更低，電池供電的便攜式設備大量涌現(xiàn)，其工作電壓低至1.8V。隨著情況的變化，升壓電源的需求幾乎已經(jīng)消失。同時，由于多個串聯(lián)電荷泵在高功率應用中的效率較低，所以開發(fā)出不同的技術來支持這些應用。在這些領域中，電感電源使得高效率升壓調節(jié)器成為可能。雖然基于電感的調節(jié)器已經(jīng)大量取代要求大功率應用中的擺幅電容電荷泵，但擺幅電容電荷泵仍被許多領域應用。
音頻升壓電源，節(jié)省功耗、使用時間更長
D類升壓音頻放大器能利用低壓源，例如單節(jié)鋰離子(Li+)電池，提供高質量的音頻信號，所以在手持式系統(tǒng)中應用廣泛。例如，當手機被用作便攜式媒體播放器或免提電話時，AB類放大器不能提供所需的清晰度和音量。所以，D類升壓放大器就取而代之。然而，當手機僅僅用作電話聽筒時，AB類放大器則提供很好的性能，同時節(jié)省功耗。因此，設計者需要一種途徑能夠在電話聽筒類應用中節(jié)省功耗，同時也支持免提電話或媒體播放器應用中的大音量。這種復雜的挑戰(zhàn)使得多路音頻源復用單個揚聲器就非常具有吸引力。
D類升壓放大器無需PCB上的大空間，即可提供大音量。然而，在將升壓放大器復用至揚聲器時，問題出現(xiàn)了。根據(jù)設計，D類升壓放大器輸出的音頻信號高于電源電壓，但通常模擬開關的信號需限制其在電源軌之內。所以，許多現(xiàn)代化的模擬開關增加了能夠傳輸負電源以下信號的能力。雖然如此，這仍然給D類放大器的升壓信號帶來了問題，因為不能傳輸高于正電源的信號。為D類放大器供電的內部升壓電源通常不用于為外部設備供電;此外，即使能夠為外部設備供電，也只有放大器打開時才有。所以使用這樣的電源不太現(xiàn)實，因為當其它放大器正在工作時它可能沒有。因此，如果沒有附加電路，揚聲器復用的應用中就難以使用普通模擬開關。解決這一問題的途徑有多種，我們將逐一總結其優(yōu)缺點。
提高供電電壓?
在有些情況下，直接利用D類升壓放大器輸出的升壓電壓好像很有優(yōu)勢。但是，如上所述，當D類升壓放大器關閉時，給模擬開關的升壓電壓就沒有了。因此，設計者必須尋求另一種途徑為模擬開關供電。這就意味著系統(tǒng)必須多設計一個 “或”電路，利用不同的源為開關供電， 它取決于那個放大器正在工作。貌似非常合理，但“或”電路實現(xiàn)這個功能將消耗附加空間和功耗。在空間和功耗是主要設計約束條件的系統(tǒng)中，這種處理是不可取的。
另一種解決方案，雖然不常見，是使用外部升壓電源(電感或電荷泵的方法外都行)為電路供電。增加升壓電源意味著增加一堆的外部元件(例如IC/二極管/電容/FET/電感)。不可否認，這解決了問題，但是缺點顯而易見。首先，在追求體積小的大多數(shù)現(xiàn)代應用中這種增加的元件的解決方法是不可接受的，不會采納的。另外，即使高效率的升壓轉換器所帶來的功率損耗，也是用電池供電系統(tǒng)不可承受的。
將音頻電平轉換至可接受的范圍?
音頻應用中使用的許多模擬開關支持負電壓。所以，常見的實現(xiàn)方案是轉換信號的直流偏置電壓，直到信號下降至開關可接收的電壓范圍。最常見的方法就是用隔直法。該方法是工程師在模擬開關的輸入端放置隔直電容。這種方法至少存在三個問題。
首先，電容使本已空間緊張的應用增加了元件。此外，增加的電容值需要足夠大，以保證構成的高通濾波器的截止頻率盡量的低。此時，負載是揚聲器，而不是相當高阻抗的放大器輸入。這進一步增大了維持音質所需的電容尺寸。
第二個問題實際上加劇了第一個問題。由于電壓系數(shù)的原因，增加的隔直電容會帶來低頻的相位失真。電壓系數(shù)表示電容值隨電容電壓變化的程度。由于電容的阻抗在低頻時較高，會在電容的兩端形成一個電壓，從而使電容降低至額定值以下。隨著頻率增大，電容也增大。電容變化也造成比濾波器的-3dB點高達10倍的頻率下的失真。因此，為保證失真在音頻范圍之外，電容應足夠大，使截止頻率低至2Hz。此外，所選電容的電壓系數(shù)應較低，該項要求通常將小型封裝電容排除在外，例如陶瓷電容。所以，最常用的是鉭電容或電解電容，以降低電壓系數(shù)。
最后，諸如等效串聯(lián)電阻(ESR)的非線性等因素也會引入失真。ESR非線性與頻率有關，有些情況下由于阻抗增大而限制了提供給揚聲器的功率。
總而言之，此處討論的隔直方法解決了問題，但要求在成本、音質及空間方面做出妥協(xié)。
使用隱形(集成)方案
典型D類升壓放大器采用低至2.5V的電池電壓，產(chǎn)生5.5V的輸出電壓。這很好，但現(xiàn)在的問題是不使用占用空間的分立式元件，如何能在音頻放大器之間切換?圖3所示為解決這一問題的“隱形”方案，更準確地說，是集成方案。該方案是一種超小尺寸的雙刀雙擲(DPDT)模擬開關，允許升壓信號通過，無需附加外部電路。我們稱之為隱形方案是因為該DPDT開關所需的一切都集成在1.2mm x 1.2mm、9焊球晶原級封裝(WLP)內，非常類似于利用電荷泵來避免使用高壓外部電源的MAX232。集成了所有必需的電荷泵。由于電荷泵只需要驅動開關內部的門電路，所以甚至不需要外部電容。該集成技術允許高達±5.5V的信號通過，失真超小，而器件電源電壓可低至+1.6V。實際上，這種復雜的技術對于設計者或用戶是不可見的。
圖3. 典型音頻配置的“隱形”集成方案。
由于該方案能傳輸信號電平超出電源上下軌電壓，無需隔直電容或外部升壓電源。實際上，利用MAX14689 DPDT模擬開關實現(xiàn)多路復用揚聲器，無需附加外部電路，即可為音頻系統(tǒng)供電。該方法將節(jié)省可觀的空間。此外，無需隔直電容,信號直接通過,避免了隔直電容所占的空間和導致失真。
最后，開關為“先開后合”式，確保幾個音頻放大器不會短路在一起。與其它常見方法相比，開關式保證系統(tǒng)的音質，同時減少空間需求。利用低至2.5V的電源供電時，開關的低(0.25Ω，典型值)導通電阻(RON)允許將功率高效率傳輸至揚聲器，并具有低THD+N。
結論
D類升壓放大器大大提高了音質，所以在電池供電音頻系統(tǒng)中尤其具有優(yōu)勢。但是，這些放大器的功耗較高，所以始終打開的情況下在這類系統(tǒng)并不具有優(yōu)勢。同時，幾個不同音頻系統(tǒng)復用單個揚聲器具有諸多優(yōu)點。所以，典型模擬開關不能傳輸高于或低于其電源擺幅范圍的問題亟待解決。傳統(tǒng)方法具有許多不利影響，而本文介紹的方案簡單、節(jié)省空間、保證音質。
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