| 對于電源供電的高保真設備來(lái)說(shuō)，這不是太大的問(wèn)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(gè)相當大的困擾，因為音頻放大器的耗電量在整個(gè)系統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(lèi)拓撲的方法。本文要探討的問(wèn)題在于，通過(guò)使用G類(lèi)或H類(lèi)等新技術(shù)所達到的省電效果是否值得?如果系統設計師采用了G類(lèi)或H類(lèi)放大器，那么采用G類(lèi)或H類(lèi)這兩種方法所帶來(lái)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要求
手持設備使用的音頻放大器通常會(huì )驅動(dòng)一個(gè)16歐或32歐的阻抗，這兩種阻抗往往會(huì )消耗設備的大部分功率預算。這意味著(zhù)任何有關(guān)功率放大器效率的改善，都能顯著(zhù)提升整個(gè)設備的效率及電池使用時(shí)間。
如同我們看到的，影響傳統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(lèi)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(guò)兩個(gè)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(gè)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(huì )使用電荷泵來(lái)產(chǎn)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(diǎn)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(lái)自電荷泵。
最常用的電池類(lèi)型是鋰離子電池，一般會(huì )產(chǎn)生3.6V輸出。高效的DC/DC降壓轉換器能在不產(chǎn)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(lèi)放大器常見(jiàn)的配置，典型系統框圖見(jiàn)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(lèi)放大器控制單元、耳機放大器)
高質(zhì)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(gè)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(huì )消耗大量電能的事實(shí)。要解決這個(gè)問(wèn)題，需要改變放大器本身的電源配置，這就是開(kāi)發(fā)G類(lèi)和H類(lèi)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(shí)際上，需要這個(gè)最大電源電壓的時(shí)間極短;音頻信號具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。大部分的時(shí)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(lái)自?xún)炔糠糯笃骶w管所消耗的部分，這是電力損耗的主要原因。
為解決這個(gè)問(wèn)題，G類(lèi)和H類(lèi)放大器采用的放大器電源電壓要在一定程度上滿(mǎn)足所需的輸出功率。G類(lèi)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(gè)電壓下工作，且這個(gè)電壓高于總諧波失真(THD)的閾值。
相對于G類(lèi)放大器，H類(lèi)放大器可根據輸出信號的要求平穩地調節輸出電壓。因此，不同于G類(lèi)放大器，H類(lèi)放大器不受限于兩或三種固定輸出電壓。它能將來(lái)自降壓轉換器的最低允許電源電壓平穩轉換為任意一種離散輸出電壓。
因此，H類(lèi)放大器能以緊密匹配實(shí)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(jiàn)圖2)
圖2：不同放大器組態(tài)的功耗
事實(shí)上，由于音頻設備大多數時(shí)間都在最低允許電源電壓運行，因此G類(lèi)和H類(lèi)放大器的功耗，以及耳機占系統總功耗的比例，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(chēng)為VSUPMIN。
圖2顯示了不同類(lèi)型放大器在功耗方面的差異。每個(gè)放大器的正電壓和負電壓均以黑色虛線(xiàn)標出。G類(lèi)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(lèi)放大器則支持1.5V和1.2V之間的額外電壓水平。G類(lèi)和H類(lèi)放大器可明顯降低功耗。
此外，相對于A(yíng)B類(lèi)放大器，采用G類(lèi)或H類(lèi)拓撲實(shí)現并不非常復雜，成本也沒(méi)有增加很多(圖3為G類(lèi)/H類(lèi)放大器的簡(jiǎn)化框圖)。與AB類(lèi)放大器的主要區別在于，DC/DC轉換器不再有固定輸出電壓�？勺冸妷狠敵鲂枰诜糯笃鬏敵黾壍紻C/DC轉換器之間增加一個(gè)反饋信號，才能根據音頻信號調節輸出電壓。
圖3：G類(lèi)/H類(lèi)放大器框圖。
(DC/DC降壓轉換器、用于負電源的電荷泵、AB類(lèi)放大器控制單元、耳機放大器、G/H類(lèi)傳感器)
最佳和最差的H類(lèi)或G類(lèi)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(shù)制造。雖然VSUPMIN的理想值取決于放大器的電路設計，然而在實(shí)踐中往往取決于用以制造放大器的CMOS技術(shù)的最低閾值。
在現今的放大器設計中，VSUPMIN的定義是2×VTH+Vdsat。如果制造該器件的CMOS工藝可通過(guò)實(shí)現較低的晶體管閾值來(lái)支持較低的VSUPMIN值，將可以取得一個(gè)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(chǎn)全新的AS3561器件。AS3561是一個(gè)H類(lèi)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(lèi)及AB類(lèi)架構之間的功耗差異見(jiàn)圖4。
圖4：H類(lèi)與AB類(lèi)及G類(lèi)的功耗比較
結論
與廣泛使用的AB類(lèi)放大器相比，G類(lèi)和H類(lèi)音頻放大器可動(dòng)態(tài)調節電源電壓，大幅改善電源效率。但是，對大部分時(shí)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(shù)制造的H類(lèi)放大器能額外節省30%的電力。 |
