耳机放大器架构设置全新解决方案

乘以电池电流 （IBATT） 所得的乘积。

 

　　图 6. AB 类接地置中耳机示意图

　　G 类放大器一般使用多个电源电压，以发挥比 AB 类放大器更高的效率。在本例中，TI 最新的 G 类 DirectPath 放大器 （TPA6140A2） 首先将电池电压降低至较低的电压值，然后切换至低信号强度的低供应电压 （1.3V），并且只有在信号强度超出该低电源电压轨时，才切换至较高的电源电压 （1.8V）。这些适应性电源电压轨的升降速度高于音频，因此可避免失真或削波。此外，由于一般聆听的音频低于 200mVRMS，因此电源电压通常是最低值 （亦即 1.3V），并且提供优于上述 AB 类放大器的效率。在音频的无噪声阶段期间，整个电源轨的电压会降低，而且信号相当小。当音频变得大声时，放大器会切换至较高的电源轨，然后切换回较低的电源轨，导致整个输出 FET 的电压降幅缩小。图 7 的红色箭头表示此电压降幅。

　　图 7. G 类接地置中耳机放大器运作

　　其中的技巧是设计将电池电压降低至较低电压的放大器，并使用适应性电源轨 （分别有负电源轨） 降低播放音乐时整个输出 FET 的电压降幅。其中一种实现这类放大器的方式是，使用电荷泵作为图 8 所示的步降区块。某些工程人员偏好这类做法，原因在于步降电荷泵仅需要相对较小的飞驰电容（flying capacitor） （1μF 至 2.2μF），而这也是相对较小的组件

　　图 8. 含电荷泵步降转换器的 G 类接地置中耳机简化示意图

　　这类解决方案的主要缺陷是电荷泵的效率极差，而且这类解决方案无法令电池使用时间延长。较好的做法是整合 DC/DC 步降转换器，以有效降低装置的内部电源电压，并减少电池电流。

　　图 9. 含 DC/DC 步降转换器的 G 类接地置中耳机简化示意图

　　图 9 显示 G 类接地置中耳机简化示意图。假设放大器的静态电流远小于流向负载的电流，即可推估电池电流是输出电流的分数 （见等式 4）。同样地，随着音频的变化，整个输出 FET 的电压降幅也会变动。此装置的功率损耗是电压降幅乘以电池电流 （IBATT） 的分数 （VDD/VBATT） 所得的乘积，因此，此装置将散失较少的功率。

　　（等式 4）

　　使用此解决方案的 G 类 DirectPath 耳机放大器为 TPA6140A2。此解决方案需要将外部电感用于步降转换器，但是，由于输出电流相当小，而且降压转换器的切换频率相对较高，因此可使用相当小的芯片电感，也就是 2.2uH 、 800mA 的 0805 尺寸电感。这能够使解决方案的效率提高，而没有上述电荷泵方法的电路板空间不足的缺点。

　　AB 类及G 类接地置中架构的电池使用时间比较

　　为证实 G 类 DirectPath 耳机放大器的效率优于传统 AB 类解决方案，我们在实验室进行了一项测试。图 10 是一般接地置中耳机与 TPA6140A2 的比较。其中，两个放大器都接上充满电力的锂离子电池。音频输入来自 PC，而输出驱动各个 32Ω 耳机。两个放大器持续播放相同的音频，而且以固定间隔测量电池电压。

　　下图的 Y 轴表示电池电压，X 轴表示时间。绿线表示一般的接地置中耳机放大器，蓝线表示 G 类耳机放大器。

　　图 10. AB 类与 G 类接地置中耳机放大器的比较

　　相较于 AB 类 DirectPath 实作，TPA6140A2 可延长 50 小时或 45% 的电池使用时间。

　　对于耳机放大器效率而言，必须考虑整体的系统功耗。举例来说，当今耳机的输出功耗远低于 MP3 编译码器的功耗。在未来，当这类编译码器功能提升到下一个制程技术节点时，该功能的功耗将进一步降低，但耳机放大器的输出功耗需求则不会降低。这表示，耳机放大器的效率将在下一代平台中扮演更重要的角色。图 11a 至 11b 阐明了这一点：

　　图 11a.当今MP3 播放电流耗用量的范例

　　图 11b.两年后 MP3 播放电流耗用量的范例

　　图 11a 显示 G 类耳机放大器的平均电流耗用量大约是应用处理器的 10%。然而，几年后，当应用处理器电流降低至大约 10mA 时，G 类耳机放大器的电流耗用量将约为 现在的30%。

　　结论

　　电池使用时间一直是便携式应用的重要课题。相比含输出 DC 阻隔电容的传统 AB 类放大器，接地置中耳机放大器的音频性能较佳，但是因为需要使用电荷泵而使得效率降低。只有在信号强度需要进行切换时，才会切换两个以上的电压电源轨，使得 G 类放大器能够提升效率，也减少了不必要的功率损耗。TPA6140A2 等 G 类 DirectPath 耳机放大器结合了接地置中耳机放大器及 G 类放大器的优点。这能够有效降低不必要的放大器功率损耗，最终使得电池使用时间延长。