揚聲器設(shè)計中選擇正確的放大器

隨著時間的推移，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)品都集成了聽筒、耳機揚聲器和近場揚聲器(用于免提操作)。另外，再現(xiàn)音樂(MP3文件)和電影聲道也給音頻通道帶來了沉重的負(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)也成為了過去時，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。

耳機放大器

聲學(xué)音頻功率放大器一般分成兩種工作類型：耳機放大器(HPA)和揚聲器放大器(SPA)。耳機放大器必須驅(qū)動32Ω或16Ω揚聲器高達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，對耳機應(yīng)用來說，30mW是一個非常高的輸出功率，它高到足以使人感到疼痛。典型的收聽電平在100μW至1mW之間。

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

典型的耳機線纜包含3根：兩根分別用于左右驅(qū)動信號，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題。為了避免使用大的交流耦合電容，大多數(shù)耳機放大器采用分離電源供電，即通常用一個片上逆變電荷泵產(chǎn)生負(fù)電壓軌。

大多數(shù)耳機放大器采用線性放大器(例如：A/B類輸出級的變體)來實現(xiàn)耳機放大器所要求的高品質(zhì)音頻性能。傳統(tǒng)的A/B類放大器由A類和B類工作模式組成(圖1)。這類放大器一般設(shè)計為在低輸出功率時主要工作在A類。由于交越失真很小，所以A類狀態(tài)可以提供最佳的音頻性能。

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

B類工作模式在高輸出電平時生效，這時，它具有比A類更高的效率。但是，B類工作模式具有較高的交越失真?？傊珹/B類放大器可以取得非常低的總諧波失真，因為交越失真大部分可以由閉環(huán)反饋衰減掉。

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

需要用一個電路來檢測輸入信號電平。如果該電平超過一個預(yù)先確定的門限值，就可以根據(jù)需要將電壓軌抬高到更高的值。大多數(shù)G類放大器具有兩個電壓軌值：一個用于大信號擺幅的高軌值(VDD)，以及一個用于低電平信號的只有VDD一小部分(如VDD的1/2)的低軌值(圖2)。這樣，在滿刻度輸出功率1/4處的信號效率近似等于滿刻度功率信號時的效率(圖3)。

圖2：G類耳機放大器(帶分離電源)有助于挽回低輸出功率時的效率損失

圖3：在G類耳機放大器工作中，1/4滿刻度輸出功率的信號效率近似等于滿刻度功率信號的功率。

這里，信號電平驅(qū)動兩個電壓軌值

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

圖4：H類耳機放大器的電壓軌隨峰值信號要求連續(xù)變化

圖5：H類工作模式(G類的一個變體)在耳機放大器中很少見到，但它可以最大限度地提高所有信號電平點的效率。

不過，它對最小供電電平有所限制

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

揚聲器放大器

便攜式電子產(chǎn)品中的揚聲器放大器(用于免提和揚聲器話機工作等近場應(yīng)用)通常需要驅(qū)動8Ω或4Ω的揚聲器。典型的收聽電平落在100至300mW范圍，但IC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，揚聲器放大器必須向揚聲器負(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1.7W的揚聲器放大器一般使用5.5V的電壓軌。如果用更大的開關(guān)可以實現(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，可以產(chǎn)生更大的輸出功率。

一般來說，在便攜式音頻產(chǎn)品中，近場揚聲器不會再現(xiàn)高質(zhì)量音頻。因此，揚聲器放大器通常無需達到耳機放大器的音頻性能。典型的音頻性能是全功率時1%的總諧波失真，10kHz帶寬和94dB信噪比。

與耳機放大器相比，效率對揚聲器放大器來說是一個更加重要的因素，因為揚聲器放大器的功率電平要高得多。耳機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(對正常收聽電平來說約為電池容量的0.01%)。然而，工作在1W的揚聲器放大器同樣50%的功耗卻等于0.5W，或約為電池容量的10%。

D類揚聲器放大器

耳機放大器和揚聲器放大器工作效率對比的重要性，是在一個或另一個收聽模式中所花時間的函數(shù)。比方說，蜂窩話機在揚聲器模式時會消耗更多的功率，因此效率就變得非常重要?？梢允褂镁€性放大器(如A/B類)來驅(qū)動揚聲器(過去經(jīng)常如此)，但今天首選的揚聲器驅(qū)動器卻是D類放大器(圖6)。D類揚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，效率才開始下降。

圖6：目前揚聲器驅(qū)動器的流行選擇是D類放大器，它能在多個輸出功率電平點提供高效率

D類放大器不是線性的，而是一種開關(guān)放大器。在開關(guān)放大器中，高頻載波(相對于音頻頻帶)會對音頻輸入信號進行調(diào)制，一般從100kHz至1MHz。因此，輸出級可以被“數(shù)字”切換(軌到軌)，從而將輸出功率器件置于開(on)或關(guān)(off)狀態(tài)，這正是最高效率點。

開關(guān)放大器通常配置在電橋模式，以差分方式驅(qū)動揚聲器負(fù)載，這樣可以避免使用輸出交流耦合電容。因為電橋模式的放大器每個通道使用4個功率開關(guān)，所以體積是單端輸出級放大器的兩倍。然而，在給定電壓軌條件下，電橋模式輸出級的輸出功率卻是單端放大器的4倍。

D類放大器可以實現(xiàn)很高的效率，一般超過90%。但是使用這類放大器也有缺點。因為音頻內(nèi)容現(xiàn)在是調(diào)制過的信號，所以必須通過某種低通濾波器(LPF)解調(diào)后，才能驅(qū)動揚聲器負(fù)載。不會造成效率損失或失真問題的大功率LPF不僅體積大，而且價格昂貴，因此，在便攜式設(shè)備中無法使用。

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

但是當(dāng)揚聲器放大器輸出和揚聲器負(fù)載之間使用長線，并且沒有獨立的低通濾波器時，使用開關(guān)放大器會帶來嚴(yán)重的EMI問題?；谶@個原因，如果耳機位于長線的末端，耳機放大器就不會使用D類放大器。因此，D類放大器應(yīng)靠近揚聲器負(fù)載，以避免產(chǎn)生過多的電磁干擾輻射。

業(yè)界也經(jīng)常使用其它類型的揚聲器放大器，但大多數(shù)是本文所述的線性和開關(guān)模式放大器設(shè)計的變體。在現(xiàn)代便攜式電子產(chǎn)品中，對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，高分辨率相機和閃存，以及大功率音頻輸出都會影響電池壽命。為了延長電池運行時間，提高音頻揚聲器放大器的效率隨即成為了重要的設(shè)計考慮因素。