G/H類音頻放大器：如何實現(xiàn)高音質和低功耗

　　在傳統(tǒng)的高保真系統(tǒng)中，音頻放大器技術規(guī)格總是強調音質的好壞，對功率損耗的程度卻很少考慮。然而，隨著音頻行業(yè)便攜式高保真領域的增長，傳統(tǒng)放大器器件的缺點，特別是它的低效率，已成為當前亟需解決的問題。

　　傳統(tǒng)上，音頻播放設備采用所謂的AB類放大器，此類放大器失真小，從而產生較高的音質。然而，AB類放大器的運行方式解釋了其效率低的原因：放大器內部電壓會隨著輸出電壓降低而降低。放大器的晶體管會消耗過多的電力，因此，隨著輸出揚聲器功率的下降，系統(tǒng)的效率便會降低。

　　對于電源供電的高保真設備來說，這不是太大的問題;但對于電池供電的音頻設備，如手機和MP3播放器而言，這是一個相當大的困擾，因為音頻放大器的耗電量在整個系統(tǒng)中占有相當大的比例。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80%。

　　因此，音頻設備設計師一直在尋找能夠強化AB類拓撲的方法。本文要探討的問題在于，通過使用G類或H類等新技術所達到的省電效果是否值得?如果系統(tǒng)設計師采用了G類或H類放大器，那么采用G類或H類這兩種方法所帶來的功耗方面的差異，是否大到足以影響整體功率預算?

　　便攜式音頻設備的系統(tǒng)要求

　　手持設備使用的音頻放大器通常會驅動一個16?或32?的阻抗，這兩種阻抗往往會消耗設備的大部分功率預算。這意味著任何有關功率放大器效率的改善，都能顯著提升整個設備的效率及電池使用時間。

　　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是峰值輸出功率。這主要由設備使用的耳機類型決定：相對于頭戴式耳機，耳塞式的峰值功率要求較低，不過兩個聲道的典型輸出功率值范圍為各4mW，總功率可高達2×30mW。

　　對32? 阻抗的耳機揚聲器而言，若輸出功率為30mW，則需要±1.38Vpk的放大器輸出擺幅。這個應用的放大器級將需要100-200mV的額外電壓空間。因此，耳機放大器的電源電壓將是2×1.5V = 3.0V

　　為避免使用對應用而言太大的輸出DC退耦電容器，一般會使用電荷泵來產生耳機放大器所需的負電源軌，使音頻輸出運行于電池接地點附近。這種配置便是"真接地"耳機放大器。它使用1.5V正電源; -1.5V電源軌則來自電荷泵。

　　最常用的電池類型是鋰離子電池，一般會產生3.6V輸出。高效的DC/DC降壓轉換器能在不產生大幅損耗的情況下，將電池輸出轉換為正1.5V電源。這是AB類放大器常見的配置，典型系統(tǒng)框圖見圖1。

　　圖1：真接地耳機放大器。

　　(DC/DC降壓轉換器、用于負電源的電荷泵、AB類放大器控制單元、耳機放大器)

　　高質量DC-DC轉換器能以高達93%的效率將鋰離子電池電壓從3.7V轉換為固定的1.5V輸出電壓。相對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，這個方法當然更為有效率。

　　但是，這并不能掩蓋除了在高輸出電壓水平以外，晶體管仍然會消耗大量電能的事實。要解決這個問題，需要改變放大器本身的電源配置，這就是開發(fā)G類和H類放大器的原因。

　　匹配輸入電壓和輸出電壓

　　上述音頻放大器的功率數值為峰值功率值。實際上，需要這個最大電源電壓的時間極短;音頻信號具有很寬的動態(tài)范圍。大部分的時間，輸出電壓均低于0.5V，而放大器的電源電壓卻可達到1.5V。輸出電壓和電源電壓之間的差異來自內部放大器晶體管所消耗的部分，這是電力損耗的主要原因。

　　為解決這個問題，G類和H類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，放大器能夠在這個電壓下工作，且這個電壓高于總諧波失真(THD)的閾值。

　　相對于G類放大器，H類放大器可根據輸出信號的要求平穩(wěn)地調節(jié)輸出電壓。因此，不同于G類放大器，H類放大器不受限于兩或三種固定輸出電壓。它能將來自降壓轉換器的最低允許電源電壓平穩(wěn)轉換為任意一種離散輸出電壓。

　　因此，H類放大器能以緊密匹配實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。(見圖2)

　　圖2：不同放大器組態(tài)的功耗

　　事實上，由于音頻設備大多數時間都在最低允許電源電壓運行，因此G類和H類放大器的功耗，以及耳機占系統(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，亦即最小電源電壓稱為VSUPMIN。

　　圖2顯示了不同類型放大器在功耗方面的差異。每個放大器的正電壓和負電壓均以黑色虛線標出。G類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類放大器則支持1.5V和1.2V之間的額外電壓水平。G類和H類放大器可明顯降低功耗。

　　此外，相對于AB類放大器，采用G類或H類拓撲實現(xiàn)并不非常復雜，成本也沒有增加很多(圖3為G類/H類放大器的簡化框圖)。與AB類放大器的主要區(qū)別在于，DC/DC轉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到DC/DC轉換器之間增加一個反饋信號，才能根據音頻信號調節(jié)輸出電壓。

　　圖3：G類/H類放大器框圖。

　　(DC/DC降壓轉換器、用于負電源的電荷泵、AB類放大器控制單元、耳機放大器、G/H類傳感器)

　　最佳和最差的H類或G類放大器之間的差異程度

　　基于成本和可用性的考慮，耳機放大器一般采用CMOS技術制造。雖然VSUPMIN的理想值取決于放大器的電路設計，然而在實踐中往往取決于用以制造放大器的CMOS技術的最低閾值。

　　在現(xiàn)今的放大器設計中，VSUPMIN的定義是2×VTH+Vdsat。如果制造該器件的CMOS工藝可通過實現(xiàn)較低的晶體管閾值來支持較低的VSUPMIN值，將可以取得一個更好的結果。例如，如果放大器級以±1.2V的最低電源電壓運行，則比播放相同音頻信號的±0.9V運行的放大器增加了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全新的AS3561器件。AS3561是一個H類放大器，可為耳機放大器提供低至±0.9 V的電源電壓。搭配高效率DC-DC轉換器及自適應式電荷泵，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。這種高效率架構與G類及AB類架構之間的功耗差異見圖4。

　　圖4：H類與AB類及G類的功耗比較

　　結論

　　與廣泛使用的AB類放大器相比，G類和H類音頻放大器可動態(tài)調節(jié)電源電壓，大幅改善電源效率。但是，對大部分時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制造的H類放大器能額外節(jié)省30%的電力。