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G/H类放大器:如何实现高音质和低功耗的承诺?

上网日期: 2010年11月04日 ?? 作者: Helmut Theiler, Herbert Lenhard, Horst Gether ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:音频? G/H类? 放大器?

在传统的高保真系统中,音频放大器技术规格总是强调音质的好坏,对功率损耗的程度却很少考虑。然而,随着音频行业便携式高保真领域的增长,传统放大器器件的缺点,特别是它的低效率,已成为当前亟需解决的问题。

传统上,音频播放设备采用所谓的AB类放大器,此类放大器失真小,从而产生较高的音质。然而,AB类放大器的运行方式解释了其效率低的原因:放大器内部电压会随着输出电压降低而降低。放大器的晶体管会消耗过多的电力,因此,随着输出扬声器功率的下降,系统的效率便会降低。

对于电源供电的高保真设备来说,这不是太大的问题;但对于电池供电的音频设备,如手机和MP3播放器而言,这是一个相当大的困扰,因为音频放大器的耗电量在整个系统中占有相当大的比例。以MP3播放器为例,音频放大器的耗电量占整体耗电量的比例高达80%。

因此,音频设备设计师一直在寻找能够强化AB类拓扑的方法。本文要探讨的问题在于,通过使用G类或H类等新技术所达到的省电效果是否值得?如果系统设计师采用了G类或H类放大器,那么采用G类或H类这两种方法所带来的功耗方面的差异,是否大到足以影响整体功率预算?

便携式音频设备的系统要求

手持设备使用的音频放大器通常会驱动一个16?或32?的阻抗,这两种阻抗往往会消耗设备的大部分功率预算。这意味着任何有关功率放大器效率的改善,都能显著提升整个设备的效率及电池使用时间。

如同我们看到的,影响传统音频放大器效率最重要的参数是峰值输出功率。这主要由设备使用的耳机类型决定:相对于头戴式耳机,耳塞式的峰值功率要求较低,不过两个声道的典型输出功率值范围为各4mW,总功率可高达2×30mW。

对32? 阻抗的耳机扬声器而言,若输出功率为30mW,则需要±1.38Vpk的放大器输出摆幅。这个应用的放大器级将需要100-200mV的额外电压空间。因此,耳机放大器的电源电压将是2×1.5V = 3.0V

为避免使用对应用而言太大的输出DC退耦电容器,一般会使用电荷泵来产生耳机放大器所需的负电源轨,使音频输出运行于电池接地点附近。这种配置便是"真接地"耳机放大器。它使用1.5V正电源; -1.5V电源轨则来自电荷泵。

最常用的电池类型是锂离子电池,一般会产生3.6V输出。高效的DC/DC降压转换器能在不产生大幅损耗的情况下,将电池输出转换为正1.5V电源。这是AB类放大器常见的配置,典型系统框图见图1。


图1:真接地耳机放大器。(DC/DC降压转换器、用于负电源的电荷泵、AB类放大器控制单元、耳机放大器)

高质量DC-DC转换器能以高达93%的效率将锂离子电池电压从3.7V转换为固定的1.5V输出电压。相对于放大器晶体管消耗2.2V(3.7V电池电压 -1.5V工作电压)的情况,这个方法当然更为有效率。

但是,这并不能掩盖除了在高输出电压水平以外,晶体管仍然会消耗大量电能的事实。要解决这个问题,需要改变放大器本身的电源配置,这就是开发G类和H类放大器的原因。

匹配输入电压和输出电压


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