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G/H类放大器:如何实现高音质和低功耗的承诺?
作者:奥地利微电子公司
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音频器件/扬声器展厅
音频功率放大器, 语音芯片, 喇叭, 扬声器, 蜂鸣器, ...
在传统的高保真系统中,音频放大器技术规格总是强调音质的好坏,对功率损耗的程度却很少考虑。然而,随着音频行业便携式高保真领域的增长,传统放大器器件的缺点,特别是它的低效率,已成为当前亟需解决的问题。

传统上,音频播放设备采用所谓的AB类放大器,此类放大器失真小,从而产生较高的音质。然而,AB类放大器的运行方式解释了其效率低的原因:放大器内部电压会随着输出电压降低而降低。放大器的晶体管会消耗过多的电力,因此,随着输出扬声器功率的下降,系统的效率便会降低。

对于电源供电的高保真设备来说,这不是太大的问题;但对于电池供电的音频设备,如手机和MP3播放器而言,这是一个相当大的困扰,因为音频放大器的耗电量在整个系统中占有相当大的比例。以MP3播放器为例,音频放大器的耗电量占整体耗电量的比例高达80%。

因此,音频设备设计师一直在寻找能够强化AB类拓扑的方法。本文要探讨的问题在于,通过使用G类或H类等新技术所达到的省电效果是否值得?如果系统设计师采用了G类或H类放大器,那么采用G类或H类这两种方法所带来的功耗方面的差异,是否大到足以影响整体功率预算?

便携式音频设备的系统要求

手持设备使用的音频放大器通常会驱动一个16?或32?的阻抗,这两种阻抗往往会消耗设备的大部分功率预算。这意味着任何有关功率放大器效率的改善,都能显著提升整个设备的效率及电池使用时间。

如同我们看到的,影响传统音频放大器效率最重要的参数是峰值输出功率。这主要由设备使用的耳机类型决定:相对于头戴式耳机,耳塞式的峰值功率要求较低,不过两个声道的典型输出功率值范围为各4mW,总功率可高达2×30mW。

对32? 阻抗的耳机扬声器而言,若输出功率为30mW,则需要±1.38Vpk的放大器输出摆幅。这个应用的放大器级将需要100-200mV的额外电压空间。因此,耳机放大器的电源电压将是2×1.5V = 3.0V

为避免使用对应用而言太大的输出DC退耦电容器,一般会使用电荷泵来产生耳机放大器所需的负电源轨,使音频输出运行于电池接地点附近。这种配置便是"真接地"耳机放大器。它使用1.5V正电源; -1.5V电源轨则来自电荷泵。

最常用的电池类型是锂离子电池,一般会产生3.6V输出。高效的DC/DC降压转换器能在不产生大幅损耗的情况下,将电池输出转换为正1.5V电源。这是AB类放大器常见的配置,典型系统框图见图1。

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图1:真接地耳机放大器。
(DC/DC降压转换器、用于负电源的电荷泵、AB类放大器控制单元、耳机放大器)

高质量DC-DC转换器能以高达93%的效率将锂离子电池电压从3.7V转换为固定的1.5V输出电压。相对于放大器晶体管消耗2.2V(3.7V电池电压 -1.5V工作电压)的情况,这个方法当然更为有效率。

但是,这并不能掩盖除了在高输出电压水平以外,晶体管仍然会消耗大量电能的事实。要解决这个问题,需要改变放大器本身的电源配置,这就是开发G类和H类放大器的原因。

匹配输入电压和输出电压

上述音频放大器的功率数值为峰值功率值。实际上,需要这个最大电源电压的时间极短;音频信号具有很宽的动态范围。大部分的时间,输出电压均低于0.5V,而放大器的电源电压却可达到1.5V。输出电压和电源电压之间的差异来自内部放大器晶体管所消耗的部分,这是电力损耗的主要原因。

为解决这个问题,G类和H类放大器采用的放大器电源电压要在一定程度上满足所需的输出功率。G类放大器一般有两种电源电压水平。较高的电源电压水平由所需的最大输出功率决定。较低的电源电压水平则由最小电源电压决定,放大器能够在这个电压下工作,且这个电压高于总谐波失真(THD)的阈值。

相对于G类放大器,H类放大器可根据输出信号的要求平稳地调节输出电压。因此,不同于G类放大器,H类放大器不受限于两或三种固定输出电压。它能将来自降压转换器的最低允许电源电压平稳转换为任意一种离散输出电压。

因此,H类放大器能以紧密匹配实际输出电压的电源电压工作;减小电源电压和输出电压之间的差异,降低所需的功耗。(见图2)

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图2:不同放大器组态的功耗

事实上,由于音频设备大多数时间都在最低允许电源电压运行,因此G类和H类放大器的功耗,以及耳机占系统总功耗的比例,或多或少是由总谐波失真阈限的较低电平的电源决定的。我们将此重要参数,亦即最小电源电压称为VSUPMIN。

图2显示了不同类型放大器在功耗方面的差异。每个放大器的正电压和负电压均以黑色虚线标出。G类放大器可支持两种不同的输出电压:1.5V和 1.2V (VSUPMIN)。另一方面,H类放大器则支持1.5V和1.2V之间的额外电压水平。G类和H类放大器可明显降低功耗。

此外,相对于AB类放大器,采用G类或H类拓扑实现并不非常复杂,成本也没有增加很多(图3为G类/H类放大器的简化框图)。与AB类放大器的主要区别在于,DC/DC转换器不再有固定输出电压。可变电压输出需要在放大器输出级到DC/DC转换器之间增加一个反馈信号,才能根据音频信号调节输出电压。

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图3:G类/H类放大器框图。
(DC/DC降压转换器、用于负电源的电荷泵、AB类放大器控制单元、耳机放大器、G/H类传感器

最佳和最差的H类或G类放大器之间的差异程度

基于成本和可用性的考虑,耳机放大器一般采用CMOS技术制造。虽然VSUPMIN的理想值取决于放大器的电路设计,然而在实践中往往取决于用以制造放大器的CMOS技术的最低阈值。

在现今的放大器设计中,VSUPMIN的定义是2×VTH+Vdsat。如果制造该器件的CMOS工艺可通过实现较低的晶体管阈值来支持较低的VSUPMIN值,将可以取得一个更好的结果。例如,如果放大器级以±1.2V的最低电源电压运行,则比播放相同音频信号的±0.9V运行的放大器增加了30%的功耗。

这正是奥地利微电子特殊的LowVT CMOS工艺的承诺。这些工艺已用于生产全新的AS3561器件。AS3561是一个H类放大器,可为耳机放大器提供低至±0.9 V的电源电压。搭配高效率DC-DC转换器及自适应式电荷泵,它可将功耗降至最低:2 x 0.1mW播放的电池电压为3.6V,典型电流消耗仅有1.7mA。这种高效率架构与G类及AB类架构之间的功耗差异见图4。

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图4:H类与AB类及G类的功耗比较

结论

与广泛使用的AB类放大器相比,G类和H类音频放大器可动态调节电源电压,大幅改善电源效率。但是,对大部分时间在放大器的总谐波失真阈值工作的器件的分析显示,采用低电压阈值工艺技术制造的H类放大器能额外节省30%的电力。

作者:Helmut Theiler首席工程师
Herbert Lenhard设计工程师
Horst Gether产品经理
奥地利微电子公司消费和通讯事业部(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (11/4/2010)
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