本文將為讀者分析單端、典型橋接負載和全差動(dòng)式音訊放大器，同時(shí)探討雜訊對于電源供應和射頻整流的影響。

行動(dòng)電話(huà)、PDA和其它可攜式通訊設備常處于嚴苛吵雜的環(huán)境，這個(gè)現象促使許多廠(chǎng)商開(kāi)始發(fā)展新的音訊功率放大器，它們都採用射頻、共模和電源供應拒斥比良好的全差動(dòng)式架構。本文將深入分析單端、典型橋接負載和全差動(dòng)式音訊放大器，同時(shí)探討雜訊對于電源供應和射頻整流的影響。

這個(gè)產(chǎn)業(yè)所使用的音訊功率放大器架構可分成三大類(lèi)：?jiǎn)味�、典型橋接負載和全差動(dòng)式放大器。單端音訊功率放大器通常是所有架構中最簡(jiǎn)單的一種，但行動(dòng)電話(huà)卻較少利用它們?yōu)楹拖意徛暬蛎獬致?tīng)筒模式等應用推動(dòng)喇叭；一般說(shuō)來(lái)，單端放大器是用來(lái)推動(dòng)耳機，讓使用者得以聆聽(tīng)MP3音樂(lè )或游戲音效，如(圖一)。

在典型的單電源、單端電路設計中，放大器的輸出端需要耦合電容來(lái)隔離直流偏壓，避免直流電流進(jìn)入負載。然而輸出耦合電容和負載阻抗卻會(huì )形成高通濾波器，其頻率由以下的方程式所決定：

(公式一)

(圖一)　單端放大器

　

就效能觀(guān)點(diǎn)而言，此設計的主要缺點(diǎn)在于負載阻抗通常很小，此處是介于4Ω和8Ω喇叭之間，這將使得低頻角頻率（FC）變得更高。要讓低頻訊號進(jìn)入喇叭，COUT就必須使用很大的電容，例如在喇叭阻抗為8Ω的情形下，如果COUT的電容值為68μF，那么頻率小于292Hz的任何訊號都會(huì )被衰減。

想要免除單端放大器的輸出電容（COUT），就需要使用分離式電源供應，但這種解決方案并不適合無(wú)線(xiàn)環(huán)境，因為手機設計人員必需增加一個(gè)直流轉換器來(lái)提供負電源，使得解決方案的成本和體積都會(huì )增加。除此之外，單端放大器在導通、截止、進(jìn)入關(guān)機模式和脫離關(guān)機模式時(shí)都很容易產(chǎn)生爆裂音，這些不必要雜訊的產(chǎn)生是因為喇叭兩端出現電壓變動(dòng)（電壓脈沖），它與此電壓脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間和寬度有關(guān)。

多數人只能聽(tīng)到20Hz至20kHz之間的聲音，因此當脈沖寬度小于50μs時(shí)，耳朵就不會(huì )對它有任何反應，因為此時(shí)頻率將會(huì )高于20kHz，所以不會(huì )有爆裂音；如果脈沖的升起時(shí)間超過(guò)50ms，就表示其頻率小于20Hz，于是耳朵也聽(tīng)不到爆裂音。要產(chǎn)生人們熟悉的爆裂音，脈沖寬度必須大于50μs，脈沖的升起時(shí)間則要小于50ms。由于單端放大器必須立即截止導通才會(huì )產(chǎn)生脈沖，因此放大器的電壓上升速率必須超過(guò)50ms才能避免爆裂音出現，但這個(gè)速度對于大多數的智慧型手機應用來(lái)說(shuō)實(shí)在太慢了。

使用單端電源供應時(shí)，輸出直流阻隔電容所儲存的電荷也會(huì )造成爆裂音。當放大器的輸出改變時(shí)，該電壓加上電容器原有電壓會(huì )出現在喇叭兩端，使其發(fā)出所謂的爆裂音。

最后，在討論音訊放大器時(shí)，提供至負載的功率也是一項重要考量。若使用單電源的單端放大器，喇叭的一端就會(huì )透過(guò)輸出電容連接至放大器的輸出端，另一端則會(huì )接地，于是喇叭兩端的電壓就只能在VDD和地電位之間改變。根據下面這個(gè)公式，可以計算放大器送至負載的功率值：

(公式二)

峰至峰輸出電壓的最大值則是電源供應電壓。假設輸出為正弦波，那么均方根值輸出電壓的最大值就是：

(公式三)

理論上的最大輸出功率則為：

(公式四)

后面文中將證明在同樣的電源供應和負載阻抗條件下，橋式負載和全差動(dòng)式放大器的輸出功率可以達到單端放大器的四倍。

今日的行動(dòng)電話(huà)和可攜式通訊裝置都使用同樣類(lèi)型的音訊放大器架構：?jiǎn)味溯斎牒蜆蚴截撦d輸出(圖二)。橋式負載放大器是由兩個(gè)單端放大器組成，分別推動(dòng)負載的一端，第一個(gè)放大器（A）會(huì )決定增益值，第二個(gè)放大器（B）則是做為單位增益反相器。這種橋式負載放大器的增益是由下式定義：

(公式五)

受到單位增益反相放大器（B）的影響，放大器的增益值會(huì )加倍。傳送至負載的功率是這種差動(dòng)式驅動(dòng)電路設計的主要優(yōu)點(diǎn)之一，利用差動(dòng)方式來(lái)推動(dòng)喇叭，那么每當一端的電壓下降時(shí)，另一端的電壓就會(huì )上升，反之亦然；相較于負載一端接地的方式，差動(dòng)設計的特性實(shí)際上會(huì )讓負載的電壓擺幅加倍。由于負載兩端的電壓擺幅會(huì )加倍，因此輸出功率方程式就變成：

(公式六)

于是橋式負載在理論上的最大輸出功率就變成：

(公式七)

相較于使用單電源的單端音訊功率放大器，喇叭兩端電壓加倍后，就算電源電壓和負載阻抗都保持相同，輸出功率也會(huì )增加四倍。
旁路電容（CBYPASS）是另一項需要考慮的因素，該電容是電路中最重要的元件，因為它會(huì )承擔多項重要功能。首先，放大器的電壓上升速率就是由旁路電容決定，若放大器的電壓上升速率緩慢，爆裂音的產(chǎn)生就會(huì )減少。旁路電容和負責產(chǎn)生電源中點(diǎn)電壓的高阻抗電阻分壓器電路會(huì )形成一個(gè)RC時(shí)間常數，而如前所述，只要這個(gè)時(shí)間常數大于50ms，使用者就不會(huì )聽(tīng)到爆裂音。

旁路電容的第二個(gè)功能是減少電源供應所產(chǎn)生的雜訊，這個(gè)雜訊是由耦合進(jìn)來(lái)的輸出驅動(dòng)訊號所產(chǎn)生，該訊號則來(lái)自于放大器內部的電源中點(diǎn)電壓產(chǎn)生電路。這個(gè)雜訊會(huì )造成電源供應拒斥比的下降，例如在電源供應充滿(mǎn)了雜訊的系統中，它會(huì )影響系統的總諧波失真與雜訊值（THD＋N）。

相較于單端音訊放大器，這類(lèi)架構的優(yōu)點(diǎn)是它在相同電源供應下所能提供的輸出功率；除此之外，它也不再需要輸出直流阻隔電容，因為喇叭兩端的VDD/2偏壓就能將直流偏壓抵消�，F在，低頻效能只會(huì )受到輸入電路和喇叭響應能力的限制。

然而這類(lèi)電路也有明顯缺點(diǎn)，例如雜訊耦合至單端輸入后，就會(huì )被放大器放大并出現在輸出端，其倍數相當于放大器的增益值。由于放大器B并沒(méi)有回授至輸入端，耦合至輸出端的任何高頻雜訊也會(huì )造成喀嚓聲和嗡聲，這種效果稱(chēng)為射頻整流。
　

(圖二)　單端輸入和橋式負載輸出架構
　全差動(dòng)式放大器
許多行動(dòng)電話(huà)、PDA、智慧型手機和新型無(wú)線(xiàn)裝置現已採用一種新型的音訊功率放大器架構，它是如(圖三)所示的全差動(dòng)式音訊放大器。全差動(dòng)式放大器的增益值定義如下 (公式八)

全差動(dòng)式放大器採用差動(dòng)輸入和差動(dòng)輸出。這些功率放大器包含差動(dòng)和共�；厥陔娐�，差動(dòng)回授確保放大器提供差動(dòng)電壓輸出，其值等于差動(dòng)輸入乘上增益值�；厥陔娐穭t是由外部增益值設定電阻來(lái)?yè)�任�?br />
共�；厥诖_保無(wú)論輸入端的共模電壓為何，輸出端的共模電壓都會(huì )偏壓至VDD/2。這個(gè)回授電路已內建至元件中，它會(huì )利用分壓器和電容來(lái)產(chǎn)生穩定的電源中點(diǎn)電壓；輸出電壓會(huì )被偏壓至VDD/2，確保一個(gè)輸出不會(huì )在另一個(gè)輸出之前被截波。

凡是橋式負載放大器勝過(guò)單端放大器的優(yōu)點(diǎn)，全差動(dòng)式放大器也都具備，但它另有三項重要優(yōu)勢勝過(guò)典型的橋式負載放大器。首先，它不再需要輸入耦合電容，因為使用全差動(dòng)式放大器后，輸入端就能偏壓至電源中點(diǎn)以外的其它電壓，所使用的放大器則須擁有良好的共模拒斥比（CMRR）。但若輸入偏壓超出了輸入共模范圍，就應該使用輸入耦合電容。

其次，中點(diǎn)電壓的供應電源也不再需要旁路電容CBYPASS，因為中點(diǎn)電壓的任何改變都會(huì )等量影響正通道和負通道，并且在差動(dòng)輸出端相互抵消。拿掉旁路電容會(huì )使得電源拒斥比稍為下降，但由于它能省下一顆外部零件，設計人員或許仍愿接受這個(gè)略為降低的電源拒斥比。全差動(dòng)式放大器的最后一項主要優(yōu)點(diǎn)是它提供更強大的射頻雜訊抵抗能力，這主要歸功于它擁有很高的共模拒斥比，并且採用全差動(dòng)式架構。

要得知負載輸出功率，我們可以使用類(lèi)似于橋式負載放大器的計算方式，因為它也是全差動(dòng)式放大器。記住當喇叭一端的電壓下降時(shí)，另一端就會(huì )上升，反之亦然；同樣的，相較于負載一端接地的方式，這種設計會(huì )讓負載的電壓擺幅加倍。橋式負載在理論上的最大輸出功率為：

(公式九)

和橋式負載放大器的情形一樣，在同樣的電源電壓和負載阻抗下，喇叭兩端電壓加倍會(huì )使得輸出功率增加四倍。相較于前面介紹的各種放大器，這種架構的最大優(yōu)點(diǎn)在于它的抗雜訊能力。
音訊功率放大器的三大雜訊來(lái)源是：

●電源供應雜訊
●輸入端耦合雜訊
●輸出端耦合雜訊
　

(圖三)　全差動(dòng)式音訊放大器

電壓供應的變動(dòng)通常會(huì )在放大器輸出端造成很小的誤差電壓，電源供應拒斥比就是放大器抵抗這些效應的能力，它通常是以分貝值來(lái)表示。根據標準的電源供應拒斥比方程式，其輸出電壓可計算如下：

(公式十)

例如若電源供應電壓改變500mV，差動(dòng)輸出電壓的變化值就等于22μV。

在TDMA和GSM行動(dòng)電話(huà)中，電壓供應雜訊的主要來(lái)源是射頻電路在導通和截止之間的切換動(dòng)作。GSM手機是以217Hz的速率進(jìn)行切換，當射頻功率放大器導通時(shí)，它會(huì )從電源供應汲取很大的電流，這將使得電源供應的電壓突降，其幅度最高可達500mV。電源拒斥比很差的音訊放大器會(huì )在喇叭造成高于217Hz的諧波喀嚓雜訊。

為了瞭解在217Hz切換速率下，電源供應電壓下降500mV所可能造成沖擊，因此分別測試三顆全差動(dòng)式音訊功率放大器，它們是3.1W的AB類(lèi)放大器、1.25W的AB類(lèi)放大器以及2.5W的D類(lèi)放大器，前兩者的測試結果顯示，由于全差動(dòng)式放大器的電源拒斥比很高，供應電壓的變動(dòng)幾乎不會(huì )對輸出訊號造成任何影響，因此它不會(huì )在喇叭造成217Hz的諧波喀嚓聲。

對于耦合至單端放大器輸入端的雜訊，主要問(wèn)題是它會(huì )被放大，其倍數等于放大器的閉迴路增益，然后出現在放大器的輸出端。除了在放大器前端對輸入訊號濾波之外，這類(lèi)放大器幾乎沒(méi)有任何的雜訊抵抗能力。

相形之下，全差動(dòng)式放大器卻有非常良好的雜訊拒斥能力，這種放大器只會(huì )放大兩個(gè)輸入端之間的訊號差異部份，因此耦合至差動(dòng)輸入端的任何共模干擾訊號在實(shí)際上都會(huì )被放大器所忽略。瞭解這個(gè)輸入耦合雜訊抵抗能力的最佳方式就是看它的共模拒斥比：

(公式十一)

以1.25W的全差動(dòng)式AB類(lèi)放大器為例，可說(shuō)明共模拒斥比如何影響放大器的交流雜訊抵抗能力。首先，根據前述共模拒斥比方程式即可得到輸出電壓如下：

(公式十二)

在20Hz至20kHz范圍內的共模拒斥比為－74dB，增益則為1V/V。假設耦合至輸入端的共模雜訊在每個(gè)輸入接腳都是100mV，那么利用上式即可得到轉移至輸出端的雜訊值如下：

(公式十三)

根據此方程式，差動(dòng)放大器的輸出端會(huì )出現20μV的漣波，但對于單端輸入放大器，結果卻是100mV再乘上放大器的閉迴路增益。
採用橋式負載輸出電路時(shí)，喇叭最常出現的雜訊是射頻功率放大器在217Hz速率下的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，通常這些開(kāi)關(guān)動(dòng)作聽(tīng)起來(lái)像是喀嚓聲或嗡嗡聲。要瞭解橋式負載放大器為什么無(wú)法抵抗耦合至其輸出端的雜訊，請參考(圖四)。

在導通狀態(tài)下，射頻功率放大器會(huì )送資料到基地臺。在實(shí)驗室里，測試人員在距離音訊放大器10公分的地方放置一部GSM手機，然后觀(guān)察音訊放大器輸出端所拾取的訊號，這個(gè)雜訊看起來(lái)像是被方波閘控的射頻訊號，示波器上的實(shí)際波形則如圖四所示。

觀(guān)察整個(gè)頻寬（>20MHz）即可發(fā)現放大器的每個(gè)輸出端都會(huì )拾取該雜訊，但它們并不會(huì )產(chǎn)生任何效果，因為喇叭無(wú)法再生如此高頻的訊號。但另一方面，若觀(guān)察橋式負載架構小于20MHz的頻寬部份，卻會(huì )發(fā)現反相隨耦器（橋式負載放大器）試圖對GHz訊號做出響應，這會(huì )導致其輸出端電壓（OUT－）以閘控方波訊號的速率（GSM為217Hz）隨著(zhù)下降，使得喇叭出現喀嚓聲或是嗡嗡聲。

在量測過(guò)程中，雜訊會(huì )耦合至輸出端，而不是輸入端；若它是帶限訊號，OUT＋會(huì )保持相對穩定，因為它的IN－輸入端并未耦合雜訊。OUT－會(huì )有很大的漣波，因為OUT＋是OUT－的輸入。從OUT＋到OUT－的反相放大器也試圖對閘控射頻波形做出響應，但它只會(huì )對低頻部份做出響應。若雜訊也耦合至輸入端，則由于共模拒斥比很低，OUT＋的雜訊會(huì )增加許多。

與典型橋式負載放大器相同的雜訊也會(huì )耦合至全差動(dòng)式放大器的輸出端。當頻寬受到限制時(shí)，由于它會(huì )差動(dòng)回授至輸入端，所以不會(huì )有任何雜訊出現。若雜訊耦合至輸入端，全差動(dòng)式放大器會(huì )以其共模拒斥比來(lái)消除雜訊，因此相較于典型的橋式負載放大器，全差動(dòng)式放大器對于射頻雜訊顯然擁有更良好的抵抗能力。

(圖四)　音訊放大器輸出端所拾取的訊號
　

結論
音訊功率放大器很容易從可攜式無(wú)線(xiàn)通訊裝置所處的嚴苛環(huán)境中拾取雜訊，典型的橋式負載音訊功率放大器有多項限制，若雜訊耦合至這類(lèi)放大器的輸入端、輸出端或電源，就會(huì )造成喀嚓聲和嗡嗡聲。相較之下，全差動(dòng)式放大器在這類(lèi)環(huán)境的表現卻較為杰出，這要歸功于它的全差動(dòng)式回授架構以及抵消射頻整流效應的能力，使它得以將行動(dòng)電話(huà)的雜音減至最少。

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