[導讀]高帶寬因特網聯(lián)機、深度學習算法及高質量音頻的完美結合，為用戶接口帶來全新典范，那就是語音。透過自然語言與家電及云端服務進行互動的能力，是人機互動方式的巨大變革。
目前的數字助理看來像是達到現(xiàn)今技
高帶寬因特網聯(lián)機、深度學習算法及高質量音頻的完美結合，為用戶接口帶來全新典范，那就是語音。透過自然語言與家電及云端服務進行互動的能力，是人機互動方式的巨大變革。
目前的數字助理看來像是達到現(xiàn)今技術的巔峰，但實際上只是新世代用戶接口的起點。語音識別是一項已存在多年的技術，例如現(xiàn)在已有許多軟件c9200446619921FFCa4b252220c1fe2a可將語音轉換為文字。不同之處在于軟件解譯文字的方式。目前為止，軟件只是單純轉播文字到屏幕上，但最近機器似乎能理解意圖及詞匯。這種人工智能技術將在未來幾年內普及，這代表能更容易取得技術，并整合至日常用品中。
制造商未來將面臨的挑戰(zhàn)，是如何為更小的電子裝置加入高水平的音頻質量。穿戴式技術的趨勢是與 AI 及自然語言接口同步發(fā)展，因此結合兩者需要更高的整合度以維持保真度。
音訊保真度
音訊保真度的關鍵部分在于放大器的選擇。大多數放大器的性質為線性，包括?A?類、B?類或AB?類?(請參閱圖?1?以比較三者)。雖然所有線性放大器都能以最小噪聲提供良好的增益，但由于接收器?(人耳)?非常善于分辨兩者的差異，因此訊噪比?(SNR)?在音訊應用中變得更為重要。上述各類放大器在功耗與效能方面各有優(yōu)缺點，因此需要不同的偏壓類別。
圖?1a：A?類放大器
圖?1b：B?類放大器
圖?1c：AB?類放大器
在目前新出現(xiàn)的應用中，音頻清晰度與功耗方面的效率都非常重要。所有線性放大器都有一定程度的偏壓，以提供良好的線性度，但電源效率較差。例如，A?類放大器使用偏壓單晶體管，即使輸入訊號為零也會導通。B?類放大器使用兩個晶體管，每半個周期一個晶體管，因此理論上，任何時間皆只有一個晶體管導通。如此可提升電源效率，但通常會造成交越失真。而?AB?類放大器藉由稍微改變偏壓，降低交越失真。盡管?AB?類在大多數情況下是理想的折衷方案，但仍僅提供約?80%?的效率，對于某些電池供電及攜帶式應用而言，可能還是不夠理想。
D?類放大器與正規(guī)放大器拓撲有極大的差異，其并非線性放大輸入，而是將訊號數字化，轉換為脈波寬度調變(PWM)?方波以呈現(xiàn)輸入訊號。上述「全開/全關」的方法可提供?90%?以上的高效率，但仍需過濾輸出以恢復訊號的模擬成分，這可能會帶來額外的設計困難。盡管如此，由于具備多項設計特點，?PAM8014免濾波?D?類放大器仍在其領域展現(xiàn)長遠的進步。其提供?3.2 W?單聲道輸出功率及超過?90%的效率，具有高電源供應抑制比與差分設計，可大幅降低噪聲與RF?反射的影響。
制作更好的?D?類放大器
D?類拓撲通常利用比較器來實現(xiàn)，將輸入訊號與參考訊號進行比較，建立實際的?1-bit ADC；如圖?2?所示，當輸入訊號大于參考訊號時，比較器的輸出為高，當輸入低于參考時，輸出訊號為低。
圖?2：D?類放大器利用比較器將模擬訊號轉換為一系列脈沖，建立?PWM?輸出，通常須經由低通濾波器才能恢復模擬訊號
輸出被饋送至由兩個或四個切換?FET?組成的切換級。雙?FET?輸出級通常由互補?FET (PNP?與NPN)?組成，并做為半橋運作。此設計的缺點是即使輸出不變，電流也會通過負載，因為輸出偏壓為?VDD/2。使用全橋輸出級可克服上述問題，全橋實作使用四個由兩個半橋級組成的FET。如此可在輸出電流中產生雙向擺動，稱為橋接式負載?(BTL)。盡管此種設計使用兩倍數量的?FET，其亦提供顯著的優(yōu)勢，特別是因為將偏移套用至負載的兩端，從而消除與半橋設計的高靜態(tài)電流相關的損耗。圖?3?顯示?PAM8014?D?類放大器的區(qū)塊圖，采用全橋?BTL?設計。
圖?3：PAM8014?以全橋?BTL?拓撲為基礎，以極小型封裝提供優(yōu)異的效能
將?BTL?拓撲整合至?D?類放大器中需要經過謹慎設計，以在單一整合封裝中達到有效的輸出功率水平。在采用更先進揚聲器技術的音訊應用中，這并不是問題，實際上更為攜帶式及電池供電裝置開創(chuàng)許多新的潛在應用。
無通濾波器
如果 D 類放大器仍需要輸出級通過一個大型且成本可能很高的低通濾波器，則可能會失去上述系統(tǒng)層級的優(yōu)勢。建構低通濾波器所需的獨立被動組件 (例如大到足以處理輸出功率的電感器)，很可能會占用比放大器本身更多的?PCB?空間，并大幅增加成本。
移除 PWM 輸出中的高頻時，通常需要低通濾波器，是許多應用中不可或缺的部分。低通濾波器所需的額外 PCB 空間與成本可能導致某些應用無法使用 D 類放大器，但實際上這在音訊應用中可能會帶來正面作用。
揚聲器實際上由線圈組成，線圈本質上是具有串聯(lián)電阻的電感器，這兩個組件是實現(xiàn)低通濾波器的關鍵。實際上，揚聲器的內建電感器可透過此方式加以利用，然而?BTL?輸出級的設計必須支持無濾波器的設計。這一點很重要，因為若非如此，可能會使電流持續(xù)流過揚聲器，這可能導致使用壽命縮短。另外，如果輸出有所偏壓，可能會限制揚聲器的動態(tài)范圍。PAM8014?D?類放大器的?BTL?輸出級設計用于無濾波器運作，因此可避免所有上述缺陷，同時可為音訊應用帶來?D?類運作的優(yōu)勢。
雖然人耳是天然的高頻濾波器，但也容易接收到各種形式的噪聲。因此優(yōu)良的 D 類放大器將實作內部反饋，以提供最佳的總諧波失真 + 噪聲 (THD + N) 數值；在此情況下，PAM8014 通常在輸出功率 0.5 W @ 1 kHz 時提供 0.14%。
PAM8014 的其他進階功能還包括關斷模式，最多可將供電電流降至 1 μA。PAM8014 也整合了專用電路，可在開啟與關閉時或從關斷模式退出時，大幅減少瞬態(tài)可能產生的「啪啪聲與咔嚓聲」。特殊模式可使內部放大器靜音，直到參考電壓穩(wěn)定為止，藉此達到上述功效；一旦穩(wěn)定之后，即恢復完全運作模式。其他功能還包括：欠壓鎖定 (UVLO)，如果供電壓低于 2.0 V，將使 PAM8014 進入關斷模式；短路保護 (SCP)，如果輸出端相互短路或接地，此功能可保護裝置；過熱保護 (OTP)，如果晶粒溫度超過 150°C，將使裝置進入關斷模式。
PAM8014?采用?U-WLB1313-9?晶圓級?BGA?封裝?(參閱圖?4)，每一邊尺寸皆小于?1.3 mm，即使是最小的裝置也適用。
圖?4：PAM8014?采用晶圓級?BGA?封裝，每一邊尺寸皆小于?1.3 mm
PAM8014?的固定增益為?18 dB，效率高達?93%，僅需最少的外部組件，如圖?5?所示。?
圖?5：PAM8014?僅需極少的外部組件，非常適合空間有限及超低功耗的應用
上述先進功能讓?PAM8014?非常適用于各種應用，包括智能型手機、VOIP、MP4/MP3?播放器，當然還有數字助理。
目前的數字助理看來像是達到現(xiàn)今技術的巔峰，但實際上只是新世代用戶接口的起點。語音識別是一項已存在多年的技術，例如現(xiàn)在已有許多軟件c9200446619921FFCa4b252220c1fe2a可將語音轉換為文字。不同之處在于軟件解譯文字的方式。目前為止，軟件只是單純轉播文字到屏幕上，但最近機器似乎能理解意圖及詞匯。這種人工智能技術將在未來幾年內普及，這代表能更容易取得技術，并整合至日常用品中。
制造商未來將面臨的挑戰(zhàn)，是如何為更小的電子裝置加入高水平的音頻質量。穿戴式技術的趨勢是與 AI 及自然語言接口同步發(fā)展，因此結合兩者需要更高的整合度以維持保真度。
音訊保真度
音訊保真度的關鍵部分在于放大器的選擇。大多數放大器的性質為線性，包括?A?類、B?類或AB?類?(請參閱圖?1?以比較三者)。雖然所有線性放大器都能以最小噪聲提供良好的增益，但由于接收器?(人耳)?非常善于分辨兩者的差異，因此訊噪比?(SNR)?在音訊應用中變得更為重要。上述各類放大器在功耗與效能方面各有優(yōu)缺點，因此需要不同的偏壓類別。
圖?1a：A?類放大器
圖?1b：B?類放大器
圖?1c：AB?類放大器
在目前新出現(xiàn)的應用中，音頻清晰度與功耗方面的效率都非常重要。所有線性放大器都有一定程度的偏壓，以提供良好的線性度，但電源效率較差。例如，A?類放大器使用偏壓單晶體管，即使輸入訊號為零也會導通。B?類放大器使用兩個晶體管，每半個周期一個晶體管，因此理論上，任何時間皆只有一個晶體管導通。如此可提升電源效率，但通常會造成交越失真。而?AB?類放大器藉由稍微改變偏壓，降低交越失真。盡管?AB?類在大多數情況下是理想的折衷方案，但仍僅提供約?80%?的效率，對于某些電池供電及攜帶式應用而言，可能還是不夠理想。
D?類放大器與正規(guī)放大器拓撲有極大的差異，其并非線性放大輸入，而是將訊號數字化，轉換為脈波寬度調變(PWM)?方波以呈現(xiàn)輸入訊號。上述「全開/全關」的方法可提供?90%?以上的高效率，但仍需過濾輸出以恢復訊號的模擬成分，這可能會帶來額外的設計困難。盡管如此，由于具備多項設計特點，?PAM8014免濾波?D?類放大器仍在其領域展現(xiàn)長遠的進步。其提供?3.2 W?單聲道輸出功率及超過?90%的效率，具有高電源供應抑制比與差分設計，可大幅降低噪聲與RF?反射的影響。
制作更好的?D?類放大器
D?類拓撲通常利用比較器來實現(xiàn)，將輸入訊號與參考訊號進行比較，建立實際的?1-bit ADC；如圖?2?所示，當輸入訊號大于參考訊號時，比較器的輸出為高，當輸入低于參考時，輸出訊號為低。
圖?2：D?類放大器利用比較器將模擬訊號轉換為一系列脈沖，建立?PWM?輸出，通常須經由低通濾波器才能恢復模擬訊號
輸出被饋送至由兩個或四個切換?FET?組成的切換級。雙?FET?輸出級通常由互補?FET (PNP?與NPN)?組成，并做為半橋運作。此設計的缺點是即使輸出不變，電流也會通過負載，因為輸出偏壓為?VDD/2。使用全橋輸出級可克服上述問題，全橋實作使用四個由兩個半橋級組成的FET。如此可在輸出電流中產生雙向擺動，稱為橋接式負載?(BTL)。盡管此種設計使用兩倍數量的?FET，其亦提供顯著的優(yōu)勢，特別是因為將偏移套用至負載的兩端，從而消除與半橋設計的高靜態(tài)電流相關的損耗。圖?3?顯示?PAM8014?D?類放大器的區(qū)塊圖，采用全橋?BTL?設計。
圖?3：PAM8014?以全橋?BTL?拓撲為基礎，以極小型封裝提供優(yōu)異的效能
將?BTL?拓撲整合至?D?類放大器中需要經過謹慎設計，以在單一整合封裝中達到有效的輸出功率水平。在采用更先進揚聲器技術的音訊應用中，這并不是問題，實際上更為攜帶式及電池供電裝置開創(chuàng)許多新的潛在應用。
無通濾波器
如果 D 類放大器仍需要輸出級通過一個大型且成本可能很高的低通濾波器，則可能會失去上述系統(tǒng)層級的優(yōu)勢。建構低通濾波器所需的獨立被動組件 (例如大到足以處理輸出功率的電感器)，很可能會占用比放大器本身更多的?PCB?空間，并大幅增加成本。
移除 PWM 輸出中的高頻時，通常需要低通濾波器，是許多應用中不可或缺的部分。低通濾波器所需的額外 PCB 空間與成本可能導致某些應用無法使用 D 類放大器，但實際上這在音訊應用中可能會帶來正面作用。
揚聲器實際上由線圈組成，線圈本質上是具有串聯(lián)電阻的電感器，這兩個組件是實現(xiàn)低通濾波器的關鍵。實際上，揚聲器的內建電感器可透過此方式加以利用，然而?BTL?輸出級的設計必須支持無濾波器的設計。這一點很重要，因為若非如此，可能會使電流持續(xù)流過揚聲器，這可能導致使用壽命縮短。另外，如果輸出有所偏壓，可能會限制揚聲器的動態(tài)范圍。PAM8014?D?類放大器的?BTL?輸出級設計用于無濾波器運作，因此可避免所有上述缺陷，同時可為音訊應用帶來?D?類運作的優(yōu)勢。
雖然人耳是天然的高頻濾波器，但也容易接收到各種形式的噪聲。因此優(yōu)良的 D 類放大器將實作內部反饋，以提供最佳的總諧波失真 + 噪聲 (THD + N) 數值；在此情況下，PAM8014 通常在輸出功率 0.5 W @ 1 kHz 時提供 0.14%。
PAM8014 的其他進階功能還包括關斷模式，最多可將供電電流降至 1 μA。PAM8014 也整合了專用電路，可在開啟與關閉時或從關斷模式退出時，大幅減少瞬態(tài)可能產生的「啪啪聲與咔嚓聲」。特殊模式可使內部放大器靜音，直到參考電壓穩(wěn)定為止，藉此達到上述功效；一旦穩(wěn)定之后，即恢復完全運作模式。其他功能還包括：欠壓鎖定 (UVLO)，如果供電壓低于 2.0 V，將使 PAM8014 進入關斷模式；短路保護 (SCP)，如果輸出端相互短路或接地，此功能可保護裝置；過熱保護 (OTP)，如果晶粒溫度超過 150°C，將使裝置進入關斷模式。
PAM8014?采用?U-WLB1313-9?晶圓級?BGA?封裝?(參閱圖?4)，每一邊尺寸皆小于?1.3 mm，即使是最小的裝置也適用。
圖?4：PAM8014?采用晶圓級?BGA?封裝，每一邊尺寸皆小于?1.3 mm
PAM8014?的固定增益為?18 dB，效率高達?93%，僅需最少的外部組件，如圖?5?所示。?
圖?5：PAM8014?僅需極少的外部組件，非常適合空間有限及超低功耗的應用
上述先進功能讓?PAM8014?非常適用于各種應用，包括智能型手機、VOIP、MP4/MP3?播放器，當然還有數字助理。
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