音頻是便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備不可或缺的一個(gè)重要組成部分。集成耳機(jī)音頻功率放大器有助于放大低功耗基帶音頻信號(hào)，以在使用耳機(jī)時(shí)驅(qū)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(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的電池壽命。為了迎接這種挑戰(zhàn)，廣大設(shè)計(jì)人員將使用G類音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
典型的線性音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為A類、B類、C類和AB類。雖然這些音頻放大器均為線性；但它們的效率并不是很高。請(qǐng)參見表1和圖1。
表1 線性音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1 各種放大器拓?fù)涞膶?dǎo)電角
效率的定義為輸出功率（向負(fù)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。更高的效率意味著以熱損耗形式浪費(fèi)的電池功率更少。為了改善便攜式音頻設(shè)備的電池使用壽命，放大器需要更高的效率。
AB類（線性）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(fù)載(BTL)狀態(tài)下，該電源電流等于輸出電流。通過負(fù)載的電源電流致使所有輸出MOSFET出現(xiàn)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類放大器效率僅為50%的原因。
什么是G類拓樸？
在極高電平條件下，G類拓?fù)錇橐环N多電源的AB類拓?fù)渥凅w。G類拓?fù)涑浞掷昧说湫鸵纛l/音樂源都具有極高峰值因數(shù)(10-20dB)的這一有利條件。這就意味著峰值音頻信號(hào)高于平均音頻信號(hào)(RMS)。大多數(shù)時(shí)候，音頻信號(hào)都處在較低的幅值，極少時(shí)間會(huì)表現(xiàn)出更高的峰值。
新型G類拓?fù)涫褂米赃m應(yīng)降壓轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生隨音頻信號(hào)移動(dòng)的電源電壓。它為大多數(shù)平均音頻信號(hào)產(chǎn)生有充足余量的低電源電壓，并切換至高電源電壓來適應(yīng)偶發(fā)的峰值電壓。由于電源的自適應(yīng)特性，高峰值因數(shù)的典型音樂/音頻源的功耗得到極大降低。這樣便帶來更低的電池電流消耗，從而獲得比AB類構(gòu)架更高的效率。
這種電源電壓為自適應(yīng)型。它在高音量音頻信號(hào)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)下降來降低功耗。
G類拓樸工作原理
圖2描述了G類放大器的運(yùn)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(yīng)升高至1.8V。我們使用一個(gè)降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生這些低電源軌（請(qǐng)參見圖 3）。
圖2 G類拓?fù)渥赃m應(yīng)移動(dòng)放大器電源實(shí)現(xiàn)節(jié)能
圖3 G類耳機(jī)放大器結(jié)構(gòu)圖
G類放大器使用自適應(yīng)電源軌，并利用一個(gè)內(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生耳機(jī)放大器正電源電壓 (HPVDD)。充電泵對(duì)HPVDD進(jìn)行反相，并產(chǎn)生放大器負(fù)電源電壓(HPVSS)。這樣便讓耳機(jī)放大器輸出可以集中于 0V。音頻信號(hào)幅值較低時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)低 HPVDD 電壓 (HPVDDL)（請(qǐng)參見圖 2）。這樣便在播放低噪聲、高保真音頻的同時(shí)最小化了 G 類放大器的功耗。
如果由于高音量音樂或者瞬態(tài)峰值音頻幅值增加，則降壓轉(zhuǎn)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(yīng) 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(tǒng)的AB類耳機(jī)放大器，G類放大器擁有更高的效率。
利用G類音頻放大器延長(zhǎng)電池使用時(shí)間
為了說明通過G類音頻放大器實(shí)現(xiàn)的電池使用時(shí)間增加情況，我們的計(jì)算均基于如下值：
●PBATT：電池功率
●VBATT：電池電源電壓
●IBATT：電池電源電流
●VDD：DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出電壓
●PDD：DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出功率
●VOUT：負(fù)載電壓
●RL：負(fù)載阻抗
●POUT：負(fù)載功耗
●IOUT：負(fù)載電流
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的AB類放大器中，電源電流等于輸出電流 (IBATT= IOUT)。使用G類（降壓轉(zhuǎn)換器）時(shí)，電源電流（電池）為輸出電流的一部分，其以公式 IBATT= IDD x VDD/VBATT表示。
假設(shè)一個(gè)放大器，驅(qū)動(dòng)32 Ohm負(fù)載的200 mVRMS，則負(fù)載輸出電流為：IOUT= VOUT/RL= 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：IBATT= 7.25 mA。
那么，AB類放大器吸取的總功率的計(jì)算方法如下（假設(shè)為一塊4.2V的鋰離子即Li-Ion電池）：
PBATT(Class-AB)= VBATTx IBATT= 4.2V x 7.25 mA = 30.45 mW
就G類放大器而言，其電壓軌均由一個(gè)開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，供給功率取決于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出電壓和效率。假設(shè)DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓為1.3V，則計(jì)算方程式為：
PDD= VDD*IDD= 1.3v * 7.25mA = 9.425 mW
總供給功率為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出功率除以 DC/DC 轉(zhuǎn)換器效率。假設(shè)降壓效率為90%，則向 G 類放大器提供的總功率為：
PBATT(Class-G) = PDD/90% = 11.09 mW
這時(shí)，相同條件下，相 AB類放大器，G類耳機(jī)放大器吸取的功率少了約3倍。功耗的降低程度與 VBATT/VDD成正比例關(guān)系。在我們的舉例中，其為 (4.2/1.3)*轉(zhuǎn)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(duì)比兩個(gè)AB類和G類耳機(jī)放大器。正如我們所觀察到的那樣，相比AB類放大器（70 小時(shí)），G 類耳機(jī)放大器的電池使用時(shí)間（150小時(shí)）長(zhǎng)了2倍多。對(duì)使用便攜式音頻設(shè)備的終端用戶來說，這就意味著更長(zhǎng)的音樂播放時(shí)間和通話時(shí)間。
圖4 電池放電曲線表明G類放大器比AB類放大器擁有更長(zhǎng)的工作時(shí)間
總之，G類音頻放大器拓?fù)涫茿B類拓?fù)涞囊环N改版，其擁有自適應(yīng)電源，可隨音頻源而變化。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降低了功耗，提高了效率，從而為使用G類放大器拓?fù)涞亩鷻C(jī)帶來更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間。 |
