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

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。

利用G類(lèi)音頻放大器延長(cháng)電池使用時(shí)間 

為了說(shuō)明通過(guò)G類(lèi)音頻放大器實(shí)現的電池使用時(shí)間增加情況，我們的計算均基于如下值：  

●P_BATT：電池功率

●V_BATT：電池電源電壓

●I_BATT：電池電源電流

●V_DD：DC/DC 轉換器輸出電壓

●P_DD：DC/DC 轉換器輸出功率

●V_OUT：負載電壓

●R_L：負載阻抗

●P_OUT：負載功耗

●I_OUT：負載電流  

一個(gè)標準的AB類(lèi)放大器中，電源電流等于輸出電流 (I_BATT= I_OUT)。使用G類(lèi)（降壓轉換器）時(shí)，電源電流（電池）為輸出電流的一部分，其以公式 I_BATT= I_DD x V_DD/V_BATT表示。 

假設一個(gè)放大器，驅動(dòng)32 Ohm負載的200 mVRMS，則負載輸出電流為：I_OUT= V_OUT/R_L= 200mVRMS/32Ω = 6.25 mA。假定靜態(tài)電流為1 mA (IDDQ)，則放大器吸取的總電流為：I_BATT= 7.25 mA。  

那么，AB類(lèi)放大器吸取的總功率的計算方法如下（假設為一塊4.2V的鋰離子即Li-Ion電池）：  

P_BATT(Class-AB)= V_BATTx I_BATT= 4.2V x 7.25 mA = 30.45 mW  

就G類(lèi)放大器而言，其電壓軌均由一個(gè)開(kāi)關(guān)式DC/DC轉換器產(chǎn)生，供給功率取決于 DC/DC 轉換器輸出電壓和效率。假設DC/DC轉換器輸出電壓為1.3V，則計算方程式為：  

P_DD= V_DD*I_DD= 1.3v * 7.25mA = 9.425 mW  

總供給功率為 DC/DC 轉換器輸出功率除以 DC/DC 轉換器效率。假設降壓效率為90%，則向 G 類(lèi)放大器提供的總功率為：  

P_BATT(Class-G) = P_DD/90% = 11.09 mW 

這時(shí)，相同條件下，相 AB類(lèi)放大器，G類(lèi)耳機放大器吸取的功率少了約3倍。功耗的降低程度與 V_BATT/V_DD成正比例關(guān)系。在我們的舉例中，其為 (4.2/1.3)*轉換器-效率 = (4.2/1.3)*0.9 = ~3 

電池省電情況如圖4所示。這里，我們使用由一塊鋰離子電池供電的完全相同的音頻輸入，對比兩個(gè)AB類(lèi)和G類(lèi)耳機放大器。正如我們所觀(guān)察到的那樣，相比AB類(lèi)放大器（70 小時(shí)），G 類(lèi)耳機放大器的電池使用時(shí)間（150小時(shí)）長(cháng)了2倍多。對使用便攜式音頻設備的終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這就意味著(zhù)更長(cháng)的音樂(lè )播放時(shí)間和通話(huà)時(shí)間。   

圖4 電池放電曲線(xiàn)表明G類(lèi)放大器比AB類(lèi)放大器擁有更長(cháng)的工作時(shí)間 

總之，G類(lèi)音頻放大器拓撲是AB類(lèi)拓撲的一種改版，其擁有自適應電源，可隨音頻源而變化。這種拓撲結構降低了功耗，提高了效率，從而為使用G類(lèi)放大器拓撲的耳機帶來(lái)更長(cháng)的電池使用時(shí)間。