隨著DVD播放器、Mp3播放器，甚至是內(nèi)置FM廣播及Mp3等音頻功能的手機(jī)等越來(lái)越多的便攜式音頻裝置在市場(chǎng)熱銷(xiāo)，，這些設(shè)備的電路板空間顯得越來(lái)越不足。因此，特定功能解決方案的尺寸變得極為重要，而設(shè)計(jì)工程人員正試圖找出如何在達(dá)到預(yù)期功能的條件下將需要的組件數(shù)量降到最低。將音頻信號(hào)傳輸?shù)蕉鷻C(jī)一直以來(lái)都需要DC阻隔電容，其替代解決方案不是有先天限制，就是過(guò)于簡(jiǎn)化而不切合實(shí)際需求，或不被市場(chǎng)接受。

本文特別著重在耳機(jī)放大器架構(gòu)，除了說(shuō)明其優(yōu)缺點(diǎn)，也介紹全新的解決方案，該解決方案可解決某些耳機(jī)放大器架構(gòu)所造成的問(wèn)題。

不同的耳機(jī)放大器配置

不采用大型DC阻隔電容驅(qū)動(dòng)耳機(jī)的其中一種傳統(tǒng)方法，是將連接器的接地接腳偏移到中軌，也就是VDD/2(VBIAS)。由于大多數(shù)消費(fèi)性耳機(jī)放大器都是單一供應(yīng)電源，因此，要達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)范圍，唯一的方法是以DC將音頻偏移到VDD/2，使信號(hào)能擺蕩到接地及VDD。由于接地接腳連接VDD/2，因此其中主要的缺點(diǎn)是，只要連接到Hi-Fi放大器或以電源驅(qū)動(dòng)的喇叭等接地為真實(shí)接地(亦即0V)的外部設(shè)備，就會(huì)造成接地回路問(wèn)題，并引發(fā)不必要的噪聲或設(shè)計(jì)問(wèn)題。

圖1.含偏移接地套管的輸出單端耳機(jī)放大器

如圖1所示，最傳統(tǒng)的耳機(jī)放大器架構(gòu)是含DC阻隔電容的單端放大器。

圖2.含DC阻隔電容的單端耳機(jī)放大器

從中可看出，耳機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸出偏移到VDD/2(VOUT)，而音頻從VDD擺蕩到接地。其中需要DC阻隔電容，才能將移除此偏壓，讓訊號(hào)在接地周?chē)行[蕩，也就是在–VDD/2至+VDD/2之間擺蕩。此架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能夠使用標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)接孔，然而，這類(lèi)方法的主要問(wèn)題在于低頻率響應(yīng)。耳機(jī)阻抗一般是16Ω或32Ω，而輸出電容及耳機(jī)喇叭阻抗兩者會(huì)形成高通濾波，其截止頻率為3dB，如等式1所示：

(等式1)

截止頻率必須在耳機(jī)的音頻頻帶范圍內(nèi)，此頻帶會(huì)因制造商的不同而有所差異，但一般的范圍是20Hz至20kHz之間。為了不使低音頻頻率衰減，高通濾波的截止頻率至少必須大約是500Hz以下。

將等式1改寫(xiě)為等式2，即得出：

(等式2)

對(duì)于100Hz的截止頻率及16Ω的耳機(jī)喇叭阻抗，電容必須是110μF。對(duì)于需要小體積尺寸的情況而言，這會(huì)造成電容值及實(shí)體尺寸過(guò)大，而且使得成本過(guò)高。許多工程人員只能改用22μF的較小電容，不過(guò)這會(huì)影響耳機(jī)的低頻率傳真度，而導(dǎo)致低音響應(yīng)不佳。

各種執(zhí)行都有其優(yōu)缺點(diǎn)，不過(guò)，對(duì)于需要較佳音頻并避免潛在接地回路問(wèn)題或大型DC阻隔電容的設(shè)計(jì)人員而言，一種稱(chēng)為接地置中或「無(wú)電容」的較新架構(gòu)開(kāi)始備受矚目。

TpA4411、TpA6130A2及TpA6132A2等由德州儀器提供的接地置中或DirectpathTM耳機(jī)放大器使用創(chuàng)新的做法來(lái)省卻通常使用的DC阻隔輸出電容。其做法并非將音頻偏移至裝置內(nèi)的VDD/2，而是整合了一顆電荷泵并提供一組負(fù)電源軌，進(jìn)而讓耳機(jī)放大器在正電源軌(VDD)與負(fù)電源電壓(VSS)之間擺蕩。這完全不需要任何偏移，因此不再需要輸出的高通濾波。這能夠讓耳機(jī)喇叭播放整個(gè)音頻頻帶，提供更好的音質(zhì)。

圖3.含整合式電荷泵的接地置中DirectpathTM耳機(jī)放大器

圖4顯示該高通濾波器的頻率響應(yīng)如何隨著不同的DC阻隔電容產(chǎn)生變化。對(duì)于16Ω的固定負(fù)載阻抗，只要改變輸出DC阻隔電容，截止頻率便會(huì)隨之變動(dòng)。結(jié)果是當(dāng)電容值減小，截止頻率就會(huì)提高，而且越少音頻低音內(nèi)容能被傳輸?shù)蕉鷻C(jī)喇叭。

圖4.輸出頻率響應(yīng)比較

這種做法看起來(lái)很理想，不過(guò)，由于整合式電荷泵的低效運(yùn)作，相較于含偏移接地套管或大型DC阻隔電容的傳統(tǒng)耳機(jī)放大器，接地置中耳機(jī)放大器會(huì)耗用較多的電源，而略微縮短系統(tǒng)的電池使用時(shí)間。為解決這個(gè)問(wèn)題的創(chuàng)新做法是使用改良的Class-G技術(shù)。

Class-G技術(shù)

在A(yíng)B類(lèi)放大器的接地置中架構(gòu)做法中，放大器總是以最高電源電壓運(yùn)作，這表示，對(duì)于音頻的無(wú)噪聲階段而言，整個(gè)輸出FET的電壓降幅相當(dāng)大。以鋰離子電池為例，一般的電池電壓范圍是3.0V至4.2V。假設(shè)電池供應(yīng)3.6V的電壓，圖5的紅色箭頭表示播放輸出音頻時(shí)整個(gè)輸出FET的電壓降幅。

圖5.AB類(lèi)接地置中耳機(jī)放大器運(yùn)作

假設(shè)放大器的靜態(tài)電流相較于流向負(fù)載的電流來(lái)說(shuō)非常地小，即可推算電池電流與輸出電流呈正比。

(等式3)

圖6顯示AB類(lèi)接地置中耳機(jī)簡(jiǎn)易示意圖。隨著音頻的變化，整個(gè)輸出FET的電壓降幅也會(huì)變動(dòng)。裝置的功率損耗是電壓降幅乘以電池電流(IBATT)所得的乘積。

圖6.AB類(lèi)接地置中耳機(jī)示意圖

G類(lèi)放大器一般使用多個(gè)電源電壓，以發(fā)揮比AB類(lèi)放大器更高的效率。在本例中，TI最新的G類(lèi)Directpath放大器(TpA6140A2)首先將電池電壓降低至較低的電壓值，然后切換至低信號(hào)強(qiáng)度的低供應(yīng)電壓(1.3V)，并且只有在信號(hào)強(qiáng)度超出該低電源電壓軌時(shí)，才切換至較高的電源電壓(1.8V)。這些適應(yīng)性電源電壓軌的升降速度高于音頻，因此可避免失真或削波。此外，由于一般聆聽(tīng)的音頻低于200mVRMS，因此電源電壓通常是最低值(亦即1.3V)，并且提供優(yōu)于上述AB類(lèi)放大器的效率。在音頻的無(wú)噪聲階段期間，整個(gè)電源軌的電壓會(huì)降低，而且信號(hào)相當(dāng)小。當(dāng)音頻變得大聲時(shí)，放大器會(huì)切換至較高的電源軌，然后切換回較低的電源軌，導(dǎo)致整個(gè)輸出FET的電壓降幅縮小。圖7的紅色箭頭表示此電壓降幅。

圖7.G類(lèi)接地置中耳機(jī)放大器運(yùn)作

其中的技巧是設(shè)計(jì)將電池電壓降低至較低電壓的放大器，并使用適應(yīng)性電源軌(分別有負(fù)電源軌)降低播放音樂(lè)時(shí)整個(gè)輸出FET的電壓降幅。其中一種實(shí)現(xiàn)這類(lèi)放大器的方式是，使用電荷泵作為圖8所示的步降區(qū)塊。某些工程人員偏好這類(lèi)做法，原因在于步降電荷泵僅需要相對(duì)較小的飛馳電容(flyingcapacitor)(1μF至2.2μF)，而這也是相對(duì)較小的組件

圖8.含電荷泵步降轉(zhuǎn)換器的G類(lèi)接地置中耳機(jī)簡(jiǎn)化示意圖

這類(lèi)解決方案的主要缺陷是電荷泵的效率極差，而且這類(lèi)解決方案無(wú)法令電池使用時(shí)間延長(zhǎng)。較好的做法是整合DC/DC步降轉(zhuǎn)換器，以有效降低裝置的內(nèi)部電源電壓，并減少電池電流。

圖9.含DC/DC步降轉(zhuǎn)換器的G類(lèi)接地置中耳機(jī)簡(jiǎn)化示意圖

圖9顯示G類(lèi)接地置中耳機(jī)簡(jiǎn)化示意圖。假設(shè)放大器的靜態(tài)電流遠(yuǎn)小于流向負(fù)載的電流，即可推估電池電流是輸出電流的分?jǐn)?shù)(見(jiàn)等式4)。同樣地，隨著音頻的變化，整個(gè)輸出FET的電壓降幅也會(huì)變動(dòng)。此裝置的功率損耗是電壓降幅乘以電池電流(IBATT)的分?jǐn)?shù)(VDD/VBATT)所得的乘積，因此，此裝置將散失較少的功率。

(等式4)

使用此解決方案的G類(lèi)Directpath耳機(jī)放大器為T(mén)pA6140A2。此解決方案需要將外部電感用于步降轉(zhuǎn)換器，但是，由于輸出電流相當(dāng)小，而且降壓轉(zhuǎn)換器的切換頻率相對(duì)較高，因此可使用相當(dāng)小的芯片電感，也就是2.2uH、800mA的0805尺寸電感。這能夠使解決方案的效率提高，而沒(méi)有上述電荷泵方法的電路板空間不足的缺點(diǎn)。

AB類(lèi)及G類(lèi)接地置中架構(gòu)的電池使用時(shí)間比較

為證實(shí)G類(lèi)Directpath耳機(jī)放大器的效率優(yōu)于傳統(tǒng)AB類(lèi)解決方案，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一項(xiàng)測(cè)試。圖10是一般接地置中耳機(jī)與TpA6140A2的比較。其中，兩個(gè)放大器都接上充滿(mǎn)電力的鋰離子電池。音頻輸入來(lái)自pC，而輸出驅(qū)動(dòng)各個(gè)32Ω耳機(jī)。兩個(gè)放大器持續(xù)播放相同的音頻，而且以固定間隔測(cè)量電池電壓。

下圖的Y軸表示電池電壓，X軸表示時(shí)間。綠線(xiàn)表示一般的接地置中耳機(jī)放大器，藍(lán)線(xiàn)表示G類(lèi)耳機(jī)放大器。

圖10.AB類(lèi)與G類(lèi)接地置中耳機(jī)放大器的比較

相較于A(yíng)B類(lèi)Directpath實(shí)作，TpA6140A2可延長(zhǎng)50小時(shí)或45%的電池使用時(shí)間。

對(duì)于耳機(jī)放大器效率而言，必須考慮整體的系統(tǒng)功耗。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)今耳機(jī)的輸出功耗遠(yuǎn)低于Mp3編譯碼器的功耗。在未來(lái)，當(dāng)這類(lèi)編譯碼器功能提升到下一個(gè)制程技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，該功能的功耗將進(jìn)一步降低，但耳機(jī)放大器的輸出功耗需求則不會(huì)降低。這表示，耳機(jī)放大器的效率將在下一代平臺(tái)中扮演更重要的角色。圖11a至11b闡明了這一點(diǎn)：

圖11a.當(dāng)今Mp3播放電流耗用量的范例

圖11b.兩年后Mp3播放電流耗用量的范例

圖11a顯示G類(lèi)耳機(jī)放大器的平均電流耗用量大約是應(yīng)用處理器的10%。然而，幾年后，當(dāng)應(yīng)用處理器電流降低至大約10mA時(shí)，G類(lèi)耳機(jī)放大器的電流耗用量將約為現(xiàn)在的30%。

結(jié)論

電池使用時(shí)間一直是便攜式應(yīng)用的重要課題。相比含輸出DC阻隔電容的傳統(tǒng)AB類(lèi)放大器，接地置中耳機(jī)放大器的音頻性能較佳，但是因?yàn)樾枰褂秒姾杀枚沟眯式档?。只有在信?hào)強(qiáng)度需要進(jìn)行切換時(shí)，才會(huì)切換兩個(gè)以上的電壓電源軌，使得G類(lèi)放大器能夠提升效率，也減少了不必要的功率損耗。TpA6140A2等G類(lèi)Directpath耳機(jī)放大器結(jié)合了接地置中耳機(jī)放大器及G類(lèi)放大器的優(yōu)點(diǎn)。這能夠有效降低不必要的放大器功率損耗，最終使得電池使用時(shí)間延長(zhǎng)。