音頻是便攜式消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備不可或缺的一個(gè)重要組成部分。集成耳機(jī)音頻功率放大器有助于放大低功耗基帶音頻信號(hào)，以在使用耳機(jī)時(shí)驅(qū)動(dòng)清脆、清晰的音頻。另外，這些放大器都需要具有極高的效率，以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的電池壽命。為了迎接這種挑戰(zhàn)，廣大設(shè)計(jì)人員將使用G類(lèi)音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
效率的定義為輸出功率（向負(fù)載提供的功率）與輸入功率（從電池吸取的功率）的比，用百分比表示。更高的效率意味著以熱損耗形式浪費(fèi)的電池功率更少。為了改善便攜式音頻設(shè)備的電池使用壽命，放大器需要更高的效率。
典型的線(xiàn)性音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)和AB類(lèi)。雖然這些音頻放大器均為線(xiàn)性；但它們的效率并不是很高。請(qǐng)參見(jiàn)表1和圖1。
表1 線(xiàn)性音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1 各種放大器拓?fù)涞膶?dǎo)電角
AB類(lèi)（線(xiàn)性）放大器具有固定的電源軌，消耗固定量的電源電流，以獲得理想的輸出電壓。在橋接式負(fù)載 （BTL） 狀態(tài)下，該電源電流等于輸出電流。通過(guò)負(fù)載的電源電流致使所有輸出MOSFET出現(xiàn)壓降。MOSFET壓降增加的這些電流，在放大器中形成較大的功耗，這就是AB類(lèi)放大器效率僅為50%的原因。
什么是G類(lèi)拓樸？
在極高電平條件下，G類(lèi)拓?fù)錇橐环N多電源的AB類(lèi)拓?fù)渥凅w。G類(lèi)拓?fù)涑浞掷昧说湫鸵纛l/音樂(lè)源都具有極高峰值因數(shù) （10-20dB） 的這一有利條件。這就意味著峰值音頻信號(hào)高于平均音頻信號(hào) （RMS）。大多數(shù)時(shí)候，音頻信號(hào)都處在較低的幅值，極少時(shí)間會(huì)表現(xiàn)出更高的峰值。
新型G類(lèi)拓?fù)涫褂米赃m應(yīng)降壓轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生隨音頻信號(hào)移動(dòng)的電源電壓。它為大多數(shù)平均音頻信號(hào)產(chǎn)生有充足余量的低電源電壓，并切換至高電源電壓來(lái)適應(yīng)偶發(fā)的峰值電壓。由于電源的自適應(yīng)特性，高峰值因數(shù)的典型音樂(lè)/音頻源的功耗得到極大降低。這樣便帶來(lái)更低的電池電流消耗，從而獲得比AB類(lèi)構(gòu)架更高的效率。
這種電源電壓為自適應(yīng)型。它在高音量音頻信號(hào)時(shí)升高，從而防止大峰值電壓失真，同時(shí)在小音頻峰值時(shí)下降來(lái)降低功耗。
音頻是便攜式消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備不可或缺的一個(gè)重要組成部分。集成耳機(jī)音頻功率放大器有助于放大低功耗基帶音頻信號(hào)，以在使用耳機(jī)時(shí)驅(qū)動(dòng)清脆、清晰的音頻。另外，這些放大器都需要具有極高的效率，以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的電池壽命。為了迎接這種挑戰(zhàn)，廣大設(shè)計(jì)人員將使用G類(lèi)音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
效率的定義為輸出功率（向負(fù)載提供的功率）與輸入功率（從電池吸取的功率）的比，用百分比表示。更高的效率意味著以熱損耗形式浪費(fèi)的電池功率更少。為了改善便攜式音頻設(shè)備的電池使用壽命，放大器需要更高的效率。
典型的線(xiàn)性音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)和AB類(lèi)。雖然這些音頻放大器均為線(xiàn)性；但它們的效率并不是很高。請(qǐng)參見(jiàn)表1和圖1。
表1 線(xiàn)性音頻放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1 各種放大器拓?fù)涞膶?dǎo)電角
AB類(lèi)（線(xiàn)性）放大器具有固定的電源軌，消耗固定量的電源電流，以獲得理想的輸出電壓。在橋接式負(fù)載 （BTL） 狀態(tài)下，該電源電流等于輸出電流。通過(guò)負(fù)載的電源電流致使所有輸出MOSFET出現(xiàn)壓降。MOSFET壓降增加的這些電流，在放大器中形成較大的功耗，這就是AB類(lèi)放大器效率僅為50%的原因。
什么是G類(lèi)拓樸？
在極高電平條件下，G類(lèi)拓?fù)錇橐环N多電源的AB類(lèi)拓?fù)渥凅w。G類(lèi)拓?fù)涑浞掷昧说湫鸵纛l/音樂(lè)源都具有極高峰值因數(shù) （10-20dB） 的這一有利條件。這就意味著峰值音頻信號(hào)高于平均音頻信號(hào) （RMS）。大多數(shù)時(shí)候，音頻信號(hào)都處在較低的幅值，極少時(shí)間會(huì)表現(xiàn)出更高的峰值。
新型G類(lèi)拓?fù)涫褂米赃m應(yīng)降壓轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生隨音頻信號(hào)移動(dòng)的電源電壓。它為大多數(shù)平均音頻信號(hào)產(chǎn)生有充足余量的低電源電壓，并切換至高電源電壓來(lái)適應(yīng)偶發(fā)的峰值電壓。由于電源的自適應(yīng)特性，高峰值因數(shù)的典型音樂(lè)/音頻源的功耗得到極大降低。這樣便帶來(lái)更低的電池電流消耗，從而獲得比AB類(lèi)構(gòu)架更高的效率。
這種電源電壓為自適應(yīng)型。它在高音量音頻信號(hào)時(shí)升高，從而防止大峰值電壓失真，同時(shí)在小音頻峰值時(shí)下降來(lái)降低功耗。
G類(lèi)拓樸工作原理
圖2描述了G類(lèi)放大器的運(yùn)行情況，其在低音頻電壓峰值時(shí)的電源電壓為1.3V，并在高峰值時(shí)自適應(yīng)升高至1.8V。我們使用一個(gè)降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生這些低電源軌（請(qǐng)參見(jiàn)圖3）。
圖2 G類(lèi)拓?fù)渥赃m應(yīng)移動(dòng)放大器電源實(shí)現(xiàn)節(jié)能
圖3 G類(lèi)耳機(jī)放大器結(jié)構(gòu)圖
G類(lèi)放大器使用自適應(yīng)電源軌，并利用一個(gè)內(nèi)置降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生耳機(jī)放大器正電源電壓 （HPVDD）。充電泵對(duì)HPVDD進(jìn)行反相，并產(chǎn)生放大器負(fù)電源電壓 （HPVSS）。這樣便讓耳機(jī)放大器輸出可以集中于0V。音頻信號(hào)幅值較低時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)低HPVDD電壓 （HPVDDL）（請(qǐng)參見(jiàn)圖2）。這樣便在播放低噪聲、高保真音頻的同時(shí)最小化了G類(lèi)放大器的功耗。
如果由于高音量音樂(lè)或者瞬態(tài)峰值音頻幅值增加，則降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)高HPVDD電壓 （HPVDDH）。HPVDD 上升速率快于音頻峰值上升時(shí)間。這樣便可防止音頻失真或削波。音頻質(zhì)量和噪聲層不受 HPVDD 的影響。這種自適應(yīng)HPVDD在避免削波和失真的同時(shí)最小化了電源電流。由于正常的聽(tīng)力水平在200mVRMS以下，因此 HPVDD最常位于其最低電壓HPVDDL。所以，相比傳統(tǒng)的AB類(lèi)耳機(jī)放大器，G類(lèi)放大器擁有更高的效率。
關(guān)于作者
Shreharsha Rao現(xiàn)任TI系統(tǒng)工程師，主要負(fù)責(zé)低功耗無(wú)線(xiàn)和RFID系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。他獲得了電子工程碩士學(xué)位，喜歡遠(yuǎn)足旅行，體育并且還加入了撲克聯(lián)賽。