運(yùn)用音頻耳機(jī)放大器延長(zhǎng)移動(dòng)應(yīng)用的電池使用時(shí)間
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，，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)在接地周圍有效擺蕩，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 AB 類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 類接地置中耳機(jī)示意圖
G 類放大器一般使用多個(gè)電源電壓，以發(fā)揮比 AB 類放大器更高的效率。在本例中，TI 最新的 G 類 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做法，原因在于步降電荷泵僅需要相對(duì)較小的飛馳電容(flying capacitor) (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 類接地置中耳機(jī)簡(jiǎn)化示意圖
這類解決方案的主要缺陷是電荷泵的效率極差，而且這類解決方案無(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 類接地置中耳機(jī)簡(jiǎn)化示意圖
圖 9 顯示 G 類接地置中耳機(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 DirectPath 耳機(jī)放大器為 TPA6140A2。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 類及 G 類接地置中架構(gòu)的電池使用時(shí)間比較
為證實(shí) G 類 DirectPath 耳機(jī)放大器的效率優(yōu)于傳統(tǒng) AB 類解決方案，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。綠線表示一般的接地置中耳機(jī)放大器，藍(lán)線表示 G 類耳機(jī)放大器。
圖 10. AB 類與 G 類接地置中耳機(jī)放大器的比較
相較于 AB 類 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汀Ｖ挥性谛盘?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 DirectPath 耳機(jī)放大器結(jié)合了接地置中耳機(jī)放大器及 G 類放大器的優(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)。
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