揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)中選擇正確的放大器

隨著時(shí)間的推移，便攜式設(shè)備音頻放大電路的使用模型已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。最近，蜂窩電話和其它便攜式電子產(chǎn)品都集成了聽(tīng)筒、耳機(jī)揚(yáng)聲器和近場(chǎng)揚(yáng)聲器(用于免提操作)。另外，再現(xiàn)音樂(lè)(MP3文件)和電影聲道也給音頻通道帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。結(jié)果，音頻通道的功耗不再是枝節(jié)問(wèn)題，而是成為了功率泄漏的主要渠道。而且，低保真度的聲音再現(xiàn)也成為了過(guò)去時(shí)，如今的音頻傳輸要求100dB以上的信噪比和小于0.1%的總諧波失真。

耳機(jī)放大器

聲學(xué)音頻功率放大器一般分成兩種工作類(lèi)型：耳機(jī)放大器(HPA)和揚(yáng)聲器放大器(SPA)。耳機(jī)放大器必須驅(qū)動(dòng)32Ω或16Ω揚(yáng)聲器高達(dá)30mW，并且還要保持非常高的音頻質(zhì)量(典型值是105dB SNR，0.01%THD和20kHz帶寬)。不過(guò)，對(duì)耳機(jī)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，30mW是一個(gè)非常高的輸出功率，它高到足以使人感到疼痛。典型的收聽(tīng)電平在100μW至1mW之間。

在32Ω負(fù)載上產(chǎn)生30mW功率需要1.4V的峰值信號(hào)擺幅，同時(shí)，還要為IR壓降準(zhǔn)備額外的余量。因此，通常使用±1.8V的供電電壓來(lái)達(dá)到30mW的輸出功率。

典型的耳機(jī)線纜包含3根：兩根分別用于左右驅(qū)動(dòng)信號(hào)，另一根則用于公共的返回地。此外，還可能需要增加其它線路用于音量控制、靜音或麥克風(fēng)輸出。在這樣的配置下，立體聲耳機(jī)放大器必須采用單端輸出。

但是如果供電采用單電壓軌，這將導(dǎo)致很大的直流偏置問(wèn)題。為了避免使用大的交流耦合電容，大多數(shù)耳機(jī)放大器采用分離電源供電，即通常用一個(gè)片上逆變電荷泵產(chǎn)生負(fù)電壓軌。

大多數(shù)耳機(jī)放大器采用線性放大器(例如：A/B類(lèi)輸出級(jí)的變體)來(lái)實(shí)現(xiàn)耳機(jī)放大器所要求的高品質(zhì)音頻性能。傳統(tǒng)的A/B類(lèi)放大器由A類(lèi)和B類(lèi)工作模式組成(圖1)。這類(lèi)放大器一般設(shè)計(jì)為在低輸出功率時(shí)主要工作在A類(lèi)。由于交越失真很小，所以A類(lèi)狀態(tài)可以提供最佳的音頻性能。

1：帶常用輸出級(jí)配置的A類(lèi)(a)、B類(lèi)(b)和A/B類(lèi)(c)線性放大器設(shè)計(jì)

B類(lèi)工作模式在高輸出電平時(shí)生效，這時(shí)，它具有比A類(lèi)更高的效率。但是，B類(lèi)工作模式具有較高的交越失真?？傊珹/B類(lèi)放大器可以取得非常低的總諧波失真，因?yàn)榻辉绞д娲蟛糠挚梢杂砷]環(huán)反饋衰減掉。

在恒定供電條件下，A/B類(lèi)放大器效率正比于輸出電壓擺幅。為了挽回低輸出功率時(shí)的效率損失，可以使用“G類(lèi)工作模式”技術(shù)來(lái)降低低電平信號(hào)時(shí)的電壓軌值。

需要用一個(gè)電路來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)電平。如果該電平超過(guò)一個(gè)預(yù)先確定的門(mén)限值，就可以根據(jù)需要將電壓軌抬高到更高的值。大多數(shù)G類(lèi)放大器具有兩個(gè)電壓軌值：一個(gè)用于大信號(hào)擺幅的高軌值(VDD)，以及一個(gè)用于低電平信號(hào)的只有VDD一小部分(如VDD的1/2)的低軌值(圖2)。這樣，在滿(mǎn)刻度輸出功率1/4處的信號(hào)效率近似等于滿(mǎn)刻度功率信號(hào)時(shí)的效率(圖3)。

圖2：G類(lèi)耳機(jī)放大器(帶分離電源)有助于挽回低輸出功率時(shí)的效率損失

圖3：在G類(lèi)耳機(jī)放大器工作中，1/4滿(mǎn)刻度輸出功率的信號(hào)效率近似等于滿(mǎn)刻度功率信號(hào)的功率。

這里，信號(hào)電平驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電壓軌值

G類(lèi)工作模式的一個(gè)變體被命名為“H類(lèi)工作模式”，此時(shí)供電軌隨著峰值信號(hào)要求連續(xù)變化(圖4和圖5)。這樣可以最大限度地提高所有信號(hào)電平點(diǎn)的效率。但由于電路設(shè)計(jì)和工藝限制的原因，H類(lèi)工作模式的最小電壓軌值是受限的。

圖4：H類(lèi)耳機(jī)放大器的電壓軌隨峰值信號(hào)要求連續(xù)變化

圖5：H類(lèi)工作模式(G類(lèi)的一個(gè)變體)在耳機(jī)放大器中很少見(jiàn)到，但它可以最大限度地提高所有信號(hào)電平點(diǎn)的效率。

不過(guò)，它對(duì)最小供電電平有所限制

一些制造商將術(shù)語(yǔ)“H類(lèi)”套用到實(shí)際上是工作在G類(lèi)的耳機(jī)放大器上。真正的H類(lèi)工作模式在目前的IC耳機(jī)放大器中幾乎很少見(jiàn)到。

揚(yáng)聲器放大器

便攜式電子產(chǎn)品中的揚(yáng)聲器放大器(用于免提和揚(yáng)聲器話機(jī)工作等近場(chǎng)應(yīng)用)通常需要驅(qū)動(dòng)8Ω或4Ω的揚(yáng)聲器。典型的收聽(tīng)電平落在100至300mW范圍，但I(xiàn)C放大器通常能夠提供1至2.7W的平均輸出功率，峰值輸出則接近該電平的兩倍。

為了在8Ω負(fù)載上產(chǎn)生1.7W功率，揚(yáng)聲器放大器必須向揚(yáng)聲器負(fù)載提供5.2V峰值或約3.7V有效值的電壓?？紤]到IR壓降方面的余量，一個(gè)1.7W的揚(yáng)聲器放大器一般使用5.5V的電壓軌。如果用更大的開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)更低的IR壓降，那么稍高于1.8W也有可能。這些輸出功率值具有1%的總諧波失真。在總諧波失真為10%時(shí)，可以產(chǎn)生更大的輸出功率。

一般來(lái)說(shuō)，在便攜式音頻產(chǎn)品中，近場(chǎng)揚(yáng)聲器不會(huì)再現(xiàn)高質(zhì)量音頻。因此，揚(yáng)聲器放大器通常無(wú)需達(dá)到耳機(jī)放大器的音頻性能。典型的音頻性能是全功率時(shí)1%的總諧波失真，10kHz帶寬和94dB信噪比。

與耳機(jī)放大器相比，效率對(duì)揚(yáng)聲器放大器來(lái)說(shuō)是一個(gè)更加重要的因素，因?yàn)閾P(yáng)聲器放大器的功率電平要高得多。耳機(jī)放大器的效率一般低于50%——這并不算高，但與具有4.7Wh容量的電池相比卻是很小的功耗(對(duì)正常收聽(tīng)電平來(lái)說(shuō)約為電池容量的0.01%)。然而，工作在1W的揚(yáng)聲器放大器同樣50%的功耗卻等于0.5W，或約為電池容量的10%。

D類(lèi)揚(yáng)聲器放大器

耳機(jī)放大器和揚(yáng)聲器放大器工作效率對(duì)比的重要性，是在一個(gè)或另一個(gè)收聽(tīng)模式中所花時(shí)間的函數(shù)。比方說(shuō)，蜂窩話機(jī)在揚(yáng)聲器模式時(shí)會(huì)消耗更多的功率，因此效率就變得非常重要?？梢允褂镁€性放大器(如A/B類(lèi))來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器(過(guò)去經(jīng)常如此)，但今天首選的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器卻是D類(lèi)放大器(圖6)。D類(lèi)揚(yáng)聲器放大器可以在很寬的輸出功率電平內(nèi)保持高效率，而只有在功率電平低于全功率的1%至2%時(shí)，效率才開(kāi)始下降。

圖6：目前揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器的流行選擇是D類(lèi)放大器，它能在多個(gè)輸出功率電平點(diǎn)提供高效率

D類(lèi)放大器不是線性的，而是一種開(kāi)關(guān)放大器。在開(kāi)關(guān)放大器中，高頻載波(相對(duì)于音頻頻帶)會(huì)對(duì)音頻輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，一般從100kHz至1MHz。因此，輸出級(jí)可以被“數(shù)字”切換(軌到軌)，從而將輸出功率器件置于開(kāi)(on)或關(guān)(off)狀態(tài)，這正是最高效率點(diǎn)。

開(kāi)關(guān)放大器通常配置在電橋模式，以差分方式驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器負(fù)載，這樣可以避免使用輸出交流耦合電容。因?yàn)殡姌蚰Ｊ降姆糯笃髅總€(gè)通道使用4個(gè)功率開(kāi)關(guān)，所以體積是單端輸出級(jí)放大器的兩倍。然而，在給定電壓軌條件下，電橋模式輸出級(jí)的輸出功率卻是單端放大器的4倍。

D類(lèi)放大器可以實(shí)現(xiàn)很高的效率，一般超過(guò)90%。但是使用這類(lèi)放大器也有缺點(diǎn)。因?yàn)橐纛l內(nèi)容現(xiàn)在是調(diào)制過(guò)的信號(hào)，所以必須通過(guò)某種低通濾波器(LPF)解調(diào)后，才能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器負(fù)載。不會(huì)造成效率損失或失真問(wèn)題的大功率LPF不僅體積大，而且價(jià)格昂貴，因此，在便攜式設(shè)備中無(wú)法使用。

然而，便攜式設(shè)備中的揚(yáng)聲器本身就是一個(gè)LPF，它可以向典型的載頻提供高阻抗。在像蜂窩話機(jī)這樣的便攜式設(shè)備中，經(jīng)常將揚(yáng)聲器用作LPF，并用它解調(diào)開(kāi)關(guān)放大器的輸出信號(hào)。有時(shí)，在D類(lèi)的輸出端串聯(lián)一些鐵氧體磁珠來(lái)減少大功率開(kāi)關(guān)輸出所產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)。由于揚(yáng)聲器具有高阻抗，其調(diào)制信號(hào)僅耗散非常小的能量，因此能夠保持很好的效率。

但是當(dāng)揚(yáng)聲器放大器輸出和揚(yáng)聲器負(fù)載之間使用長(zhǎng)線，并且沒(méi)有獨(dú)立的低通濾波器時(shí)，使用開(kāi)關(guān)放大器會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的EMI問(wèn)題?；谶@個(gè)原因，如果耳機(jī)位于長(zhǎng)線的末端，耳機(jī)放大器就不會(huì)使用D類(lèi)放大器。因此，D類(lèi)放大器應(yīng)靠近揚(yáng)聲器負(fù)載，以避免產(chǎn)生過(guò)多的電磁干擾輻射。

業(yè)界也經(jīng)常使用其它類(lèi)型的揚(yáng)聲器放大器，但大多數(shù)是本文所述的線性和開(kāi)關(guān)模式放大器設(shè)計(jì)的變體。在現(xiàn)代便攜式電子產(chǎn)品中，對(duì)更高電池能量的需求與日俱增。用于視頻內(nèi)容的高分辨率大型彩色顯示器，高分辨率相機(jī)和閃存，以及大功率音頻輸出都會(huì)影響電池壽命。為了延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間，提高音頻揚(yáng)聲器放大器的效率隨即成為了重要的設(shè)計(jì)考慮因素。