音頻是便攜式消費類(lèi)電子設備不可或缺的一個(gè)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(shí)驅動(dòng)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(shí)現更長(cháng)時(shí)間的電池壽命。為了迎接這種挑戰，廣大設計人員將使用 G 類(lèi)音頻放大器拓撲結構。
典型的線(xiàn)性音頻放大器拓撲結構為 A 類(lèi)、B 類(lèi)、C 類(lèi)和 AB 類(lèi)。雖然這些音頻放大器均為線(xiàn)性；但它們的效率并不是很高。請參見(jiàn)表 1 和圖 1。
表 1 線(xiàn)性音頻放大器拓撲結構
|
拓撲
|
類(lèi)別
|
描述
|
效率
|
|
A 類(lèi)
|
|
|
20%
|
|
B 類(lèi)
|
線(xiàn)性
|
輸出器件導電 1/2 正弦周期。（一個(gè)在正區域導電，一個(gè)在負區域導電）在交叉點(diǎn)存在線(xiàn)性問(wèn)題。
|
50%
|
|
AB 類(lèi)
|
線(xiàn)性
|
輸出器件導電 1/2 周期以上，但小于整個(gè)周期，從而解決 B 類(lèi)的固有交叉失真問(wèn)題。
|
50%
|
|
C 類(lèi)
|
線(xiàn)性
|
輸出器件導電 1/2 周期以下。高度非線(xiàn)性，以及音頻輸入失真。
|
70%
|
圖 1 各種放大器拓撲的導電角
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(zhù)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。
AB 類(lèi)（線(xiàn)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(guò)負載的電源電流致使所有輸出 MOSFET 出現壓降。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(lèi)放大器效率僅為 50% 的原因。
什么是 G 類(lèi)拓樸？
在極高電平條件下，G 類(lèi)拓撲為一種多電源的 AB 類(lèi)拓撲變體。G 類(lèi)拓撲充分利用了典型音頻/音樂(lè )源都具有極高峰值因數 (10-20dB) 的這一有利條件。這就意味著(zhù)峰值音頻信號高于平均音頻信號 (RMS)。大多數時(shí)候，音頻信號都處在較低的幅值，極少時(shí)間會(huì )表現出更高的峰值。
新型 G 類(lèi)拓撲使用自適應降壓轉換器，以產(chǎn)生隨音頻信號移動(dòng)的電源電壓。它為大多數平均音頻信號產(chǎn)生有充足余量的低電源電壓，并切換至高電源電壓來(lái)適應偶發(fā)的峰值電壓。由于電源的自適應特性，高峰值因數的典型音樂(lè )/音頻源的功耗得到極大降低。這樣便帶來(lái)更低的電池電流消耗，從而獲得比 AB 類(lèi)構架更高的效率。
這種電源電壓為自適應型。它在高音量音頻信號時(shí)升高，從而防止大峰值電壓失真，同時(shí)在小音頻峰值時(shí)下降來(lái)降低功耗。
G 類(lèi)拓樸工作原理
圖 2 描述了 G 類(lèi)放大器的運行情況，其在低音頻電壓峰值時(shí)的電源電壓為 1.3V，并在高峰值時(shí)自適應升高至 1.8V。我們使用一個(gè)降壓 DC/DC 轉換器來(lái)產(chǎn)生這些低電源軌（請參見(jiàn)圖 3）。
圖 2 G 類(lèi)拓撲自適應移動(dòng)放大器電源實(shí)現節能
圖 3 G 類(lèi)耳機放大器結構圖
G 類(lèi)放大器使用自適應電源軌，并利用一個(gè)內置降壓轉換器來(lái)產(chǎn)生耳機放大器正電源電壓 (HPVDD)。充電泵對 HPVDD 進(jìn)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(shí)，降壓轉換器產(chǎn)生一個(gè)低 HPVDD 電壓 (HPVDDL)（請參見(jiàn)圖 2）。這樣便在播放低噪聲、高保真音頻的同時(shí)最小化了 G 類(lèi)放大器的功耗。
如果由于高音量音樂(lè )或者瞬態(tài)峰值音頻幅值增加，則降壓轉換器產(chǎn)生一個(gè)高 HPVDD 電壓 (HPVDDH)。HPVDD 上升速率快于音頻峰值上升時(shí)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(shí)最小化了電源電流。由于正常的聽(tīng)力水平在200mVRMS以下，因此 HPVDD 最常位于其最低電壓 HPVDDL。所以，相比傳統的 AB 類(lèi)耳機放大器，G 類(lèi)放大器擁有更高的效率。 |
