G類音頻放大器構架讓便攜式音頻設計者激動不已
德州儀器
摘要： 音頻是便攜式消費類電子設備不可或缺的一個重要組成部分。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，以在使用耳機時驅動清脆、清晰的音頻。
Abstract：
Key words :
音頻是便攜式消費類電子設備不可或缺的一個重要組成部分。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，以在使用耳機時驅動清脆、清晰的音頻。另外，這些放大器都需要具有極高的效率，以實現更長時間的電池壽命。為了迎接這種挑戰，廣大設計人員將使用 G 類音頻放大器拓撲結構。
典型的線性音頻放大器拓撲結構為 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。請參見表 1 和圖 1。
表 1 線性音頻放大器拓撲結構
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拓撲
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類別
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描述
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效率
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A 類
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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（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。在橋接式負載 (BTL) 狀態下，該電源電流等于輸出電流。通過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 類拓撲為一種多電源的 AB 類拓撲變體。G 類拓撲充分利用了典型音頻/音樂源都具有極高峰值因數 (10-20dB) 的這一有利條件。這就意味著峰值音頻信號高于平均音頻信號 (RMS)。大多數時候，音頻信號都處在較低的幅值，極少時間會表現出更高的峰值。
新型 G 類拓撲使用自適應降壓轉換器，以產生隨音頻信號移動的電源電壓。它為大多數平均音頻信號產生有充足余量的低電源電壓，并切換至高電源電壓來適應偶發的峰值電壓。由于電源的自適應特性，高峰值因數的典型音樂/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升高，從而防止大峰值電壓失真，同時在小音頻峰值時下降來降低功耗。
G 類拓樸工作原理
圖 2 描述了 G 類放大器的運行情況，其在低音頻電壓峰值時的電源電壓為 1.3V，并在高峰值時自適應升高至 1.8V。我們使用一個降壓 DC/DC 轉換器來產生這些低電源軌（請參見圖 3）。
圖 2 G 類拓撲自適應移動放大器電源實現節能
圖 3 G 類耳機放大器結構圖
G 類放大器使用自適應電源軌，并利用一個內置降壓轉換器來產生耳機放大器正電源電壓 (HPVDD)。充電泵對 HPVDD 進行反相，并產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，降壓轉換器產生一個低 HPVDD 電壓 (HPVDDL)（請參見圖 2）。這樣便在播放低噪聲、高保真音頻的同時最小化了 G 類放大器的功耗。
如果由于高音量音樂或者瞬態峰值音頻幅值增加，則降壓轉換器產生一個高 HPVDD 電壓 (HPVDDH)。HPVDD 上升速率快于音頻峰值上升時間。這樣便可防止音頻失真或削波。音頻質量和噪聲層不受 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，相比傳統的 AB 類耳機放大器，G 類放大器擁有更高的效率。
下個月，我們將討論高速 ADC 的頻率分配。
關于作者
Shreharsha Rao 現任 TI 系統工程師，主要負責低功耗無線和 RFID 系統的應用開發。他獲得了電子工程碩士學位，喜歡遠足旅行，體育并且還加入了撲克聯賽。
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