选择合适放大器提高便携电子产品扬声器效率分析

随着时间的推移，便携式设备音频放大电路的使用模型已经得到了长足的发展。例如：在蜂窝电话的主要功能还是简单地从靠近耳朵的扬声器再现语音时，听筒仅需非常小的功率。另外，像总谐波失真（THD）、噪声和信噪比（SNR）等音频质量也很少需要考虑。

　　语音一般由高峰值因数、低占空比的信号组成，因此，语音需要很低的平均功率，而在效率方面则无需多加考虑。由于射频和显示功能在蜂窝电话的总功耗中占主要部分，因此大多数效率问题都涉及非音频电子元器件。

　　但最近，蜂窝电话和其它便携式电子产品都集成了听筒、耳机扬声器和近场扬声器（用于免提操作）。另外，再现音乐（MP3文件）和电影声道也给音频通道带来了沉重的负担。结果，音频通道的功耗不再是枝节问题，而是成为了功率泄漏的主要渠道。而且，低保真度的声音再现也成为了过去时，如今的音频传输要求100dB以上的信噪比和小于0.1%的总谐波失真。

　　耳机放大器

　　声学音频功率放大器一般分成两种工作类型：耳机放大器（HPA）和扬声器放大器（SPA）。耳机放大器必须驱动32Ω或16Ω扬声器高达30mW，并且还要保持非常高的音频质量（典型值是105dB SNR，0.01%THD和20kHz带宽）。不过，对耳机应用来说，30mW是一个非常高的输出功率，它高到足以使人感到疼痛。典型的收听电平在100μW至1mW之间。

　　在32Ω负载上产生30mW功率需要1.4V的峰值信号摆幅，同时，还要为IR压降准备额外的余量。因此，通常使用±1.8V的供电电压来达到30mW的输出功率。

　　典型的耳机线缆包含3根：两根分别用于左右驱动信号，另一根则用于公共的返回地。此外，还可能需要增加其它线路用于音量控制、静音或麦克风输出。在这样的配置下，立体声耳机放大器必须采用单端输出。

　　但是如果供电采用单电压轨，这将导致很大的直流偏置问题。为了避免使用大的交流耦合电容，大多数耳机放大器采用分离电源供电，即通常用一个片上逆变电荷泵产生负电压轨。

　　大多数耳机放大器采用线性放大器（例如：A/B类输出级的变体）来实现耳机放大器所要求的高品质音频性能。传统的A/B类放大器由A类和B类工作模式组成。这类放大器一般设计为在低输出功率时主要工作在A类。由于交越失真很小，所以A类状态可以提供最佳的音频性能。

　　B类工作模式在高输出电平时生效，这时，它具有比A类更高的效率。但是，B类工作模式具有较高的交越失真。总之，A/B类放大器可以取得非常低的总谐波失真，因为交越失真大部分可以由闭环反馈衰减掉。

　　在恒定供电条件下，A/B类放大器效率正比于输出电压摆幅。为了挽回低输出功率时的效率损失，可以使用“G类工作模式”技术来降低低电平信号时的电压轨值。

　　需要用一个电路来检测输入信号电平。如果该电平超过一个预先确定的门限值，就可以根据需要将电压轨抬高到更高的值。大多数G类放大器具有两个电压轨值：一个用于大信号摆幅的高轨值（VDD），以及一个用于低电平信号的只有VDD一小部分（如VDD的1/2）的低轨值。这样，在满刻度输出功率1/4处的信号效率近似等于满刻度功率信号时的效率。

　　G类工作模式的一个变体被命名为“H类工作模式”，此时供电轨随着峰值信号要求连续变化。这样可以最大限度地提高所有信号电平点的效率。但由于电路设计和工艺限制的原因，H类工作模式的最小电压轨值是受限的。

　　一些制造商将术语“H类”套用到实际上是工作在G类的耳机放大器上。真正的H类工作模式在目前的IC耳机放大器中几乎很少见到。

　　扬声器放大器

　　便携式电子产品中的扬声器放大器（用于免提和扬声器话机工作等近场应用）通常需要驱动8Ω或4Ω的扬声器。典型的收听电平落在100至300mW范围，但IC放大器通常能够提供1至2.7W的平均输出功率，峰值输出则接近该电平的两倍。

　　为了在8Ω负载上产生1.7W功率，扬声器放大器必须向扬声器负载提供5.2V峰值或约3.7V有效值的电压。考虑到IR压降方面的余量，一个1.7W的扬声器放大器一般使用5.5V的电压轨。如果用更大的开关可以实现更低的IR压降，那么稍高于1.8W也有可能。这些输出功率值具有1%的总谐波失真。在总谐波失真为10%时，可以产生更大的输出功率。

　　一般来说，在便携式音频产品中，近场扬声器不会再现高质量音频。因此，扬声器放大器通常无需达到耳机放大器的音频性能。典型的音频性能是全功率时1%的总谐波失真，10kHz带宽和94dB信噪比。

与耳机放大器相比，效率对扬声器放大器来说是一个更加重要的因素，因为扬声器放大器的功率电平要高得多。耳机放大器的效率一般低于50%--这并不算高，但与具有4.7Wh容量的电池相比却是很小的功耗（对正常