新一代的高性能低功耗音頻放大器

簡介：

由于智能手機和平板電腦等移動設備的激增，為了延長電池壽命，必須降低功耗。迄今為止，重點主要放在處理器上，它是電路板上功耗最大的器件。目前市場對低功耗音頻產品有新的需求。但移動設備基本上是一種多媒體消費類設備。而在過去(約20世紀初)，手機的主要功能是電話 – 使用音頻信號路徑的時間在設備使用時間中所占比例非常小。因此，由于音頻信號路徑對設備的整體功耗沒有很大的影響，所以其功耗并不重要。相比之下，目前平板電腦/智能手機是音頻/多媒體消費(音樂、電影、廣播、有聲讀物等)的主要設備，也是驅動低功耗音頻解決方案的市場動力。本文將簡要回顧音頻放大器的歷史和當前先進的音頻放大器，然后對新唐科技(Nuvoton)的新一代超低功耗音頻放大器所采用的新穎架構和電路技術進行了描述。

發展現狀:

直到90年代后期，音頻放大器主要采用大家所熟知的EE101 A類、B類和AB類模擬放大器拓撲。特定應用下，通過在性能(THD等)、功耗與成本之間進行權衡來決定工程拓撲的選擇。功耗在最低25%(A類)到通過犧牲性能(AB類)來實現的最高78.5%(理論值)的范圍內不等。由于終端設備主要是交流供電(接收器、便攜式立體聲錄放機、電視)，功耗本身并不是大問題。

在90年代中期，多種市場力量融合起來，對音頻放大器的功耗提出了更高的要求。對于大功率終端，家庭影院越來越流行。若要以低功耗實現6個大功率路徑，則需要使用龐大的電源和大型散熱片，并且要考慮與之相關的成本和外形因素。與此同時，平板電視首次在市場亮相。這種電視的賣點是“輕薄”，甚至沒有空間安裝散熱片來為過多的功率進行散熱。而且在這十年中，手機、iPod的問世對電池壽命提出了更高的要求。所有這些市場的發展都要求音頻放大器具有更低的功耗，而不影響音頻性能。答案就是新一類的放大器 - D類放大器。D類放大器號稱具有100%的功效理論值和超過90%的實際功效。雖然D類拓撲已經問世幾十年，其主流應用仍需考慮成本、性能和EMI的問題，因此僅限于高端低音炮市場。

如下圖1說明了10 W放大器的功耗與額定輸出功率的典型曲線。

圖1：AB類和D類的輸出功率與功效的曲線圖(10 W放大器)

不管是為了節省電量還是實現更小的外形尺寸，D類所提供的功效都使其成為要求低功耗的市場的首選拓撲。第一代D類技術得到了廣泛應用，使拓撲的一些缺點和用來克服這些缺點的新方法成為業界關注的重點。

D類放大器拓撲

最基本的D類放大器拓撲采用脈寬調制(PWM)與三角波(或鋸齒波)振蕩器。圖2展示了半橋D類放大器的簡化框圖。它包括1個脈沖寬度調制器、2個輸出MOSFET和1個用于恢復被放大的音頻信號的外部低通濾波器。MOSFET交替地與輸出節點和地連接，可用作電流舵(current-steering)開關。由于輸出晶體管將輸出切換到VDD或地，D類放大器的最終輸出為高頻方波。大多數D類放大器的開關頻率通常為250 kHz至1 MHz。將輸入音頻信號比作內部生成的三角波振蕩器，通過輸入音頻信號來調制輸出方波的脈寬。由此產生的方波占空比與輸入信號的電平成比例。無輸入信號時，輸出波形的占空比等于50%，與輸入信號成比例地增大或減小。

圖2：半橋模式下的D類放大器

D類放大器還會使用全橋輸出級。全橋電路使用2個半橋輸出級，并以差分方式驅動負載。這種負載連接方式通常稱為橋接負載(BTL)。正如圖3中所示，全橋結構是通過轉換負載的導通路徑來工作的。因此負載電流可以雙向流動，無需負電源或隔直電容。

圖3：全橋/ BTL模式下的D類放大器

傳統D類放大器的缺點：

1 固定開關損耗使靜態電流更高，使小功率輸出的功效更低。D類放大器本質上是開關電路。在其 基本架構下，它們基于對音頻信號編碼的模式在ON和OFF之間切換。將開關輸出通過低通濾波器傳輸至負載(揚聲器)，從而恢復被放大的音頻信號。參見上面的圖3。

從理論上講，由于輸出設備的狀態不是ON就是OFF，開關不會使功率下降，所有功率均轉移至負載(功效為100%)。在實際應用當中，開關是由MOSFET和一個有限電阻(漏源導通電阻)來實現的。漏源導通電阻越低，功效越高。一個具有橋接配置(半橋)的8 Ω電阻和0.4 Ω漏源導通電阻的典型揚聲器可提供約90%的功效。(參見圖2)。然而，低漏源導通電阻意味著更大的移動設備，反之則意味著更高的輸入電容。每次開關時都需要對電容進行充電/放電，導致更高的開關損耗(此損耗沒有模擬放大器拓撲中的損耗明顯)。更糟的是，從廣義上講，此損耗為“固定損耗”，與輸入信號無關。事實上，由于開關放大器即使在沒有任何信號的情況下也會進行開關動作，因此固定損耗是電源的恒定損耗。實際上，雖然D類放大器在全功率下的效率為90%，固定損耗會使小功率下的功效大大降低。這成為實際應用中的一個問題，全功率下不僅僅是正弦波。不同流派的音樂具有6-10個波峰因數，大多數聽到的音都是以小功率發出，因此降低了放大器的功效。

2 EMI濾波 - D類放大器的一個眾所周知的缺點是作為開關放大器，它們具有電磁干擾，對AM頻段和手機接收產生干擾。目前通過使用濾波器，以及大功率應用中用金屬外殼將輸出開關設備和輸出濾波器封裝起來解決這個問題。

3 BOM成本 - 傳統的D類架構需要低通濾波器來恢復被放大的音頻信號。這會增加放大器系統實現的BOM成本。許多制造商已經取得了最新的進展，可提供無濾波器的D類放大器，但一般都是以降低性能或增加EMI為代價。