使用G类音频放大器构架设计便携式音频

作者：ShreHarsha Rao，德州仪器
音频是便携式消费类电子设备不可或缺的一个重要组成部分。集成耳机音频功率放大器有助于放大低功耗基带音频信号，以在使用耳机时驱动清脆、清晰的音 频。另外，这些放大器都需要具有极高的效率，以实现更长时间的电池寿命。为了迎接这种挑战，广大设计人员将使用 G 类音频放大器拓扑结构。

典型的线性音频放大器拓扑结构为 A 类、B 类、C 类和 AB 类。虽然这些音频放大器均为线性；但它们的效率并不是很高。请参见表1 和图1。

表1 线性音频放大器拓扑结构

拓扑	类别	描述	效率
A 类	线性	输出器件持续导电	20%
B 类	线性	输出器件导电 1/2 正弦周期。（一个在正区域导电，一个在负区域导电）在交叉点存在线性问题。	50%
AB 类	线性	输出器件导电 1/2 周期以上，但小于整个周期，从而解决 B 类的固有交叉失真问题。	50%
C 类	线性	输出器件导电 1/2 周期以下。高度非线性，以及音频输入失真。	70%

效率的定义为输出功率（向负载提供的功率）与输入功率（从电池吸取的功率）的比，用百分比表示。更高的效率意味着以热损耗形式浪费的电池功率更少。为了改善便携式音频设备的电池使用寿命，放大器需要更高的效率。

AB 类（线性）放大器具有固定的电源轨，消耗固定量的电源电流，以获得理想的输出电压。在桥接式负载 (BTL) 状态下，该电源电流等于输出电流。通过负载的电源电流致使所有输出 MOSFET 出现压降。MOSFET 压降增加的这些电流，在放大器中形成较大的功耗，这就是 AB 类放大器效率仅为 50% 的原因。

什么是G 类拓朴？
在极高电平条件下，G 类拓扑为一种多电源的 AB 类拓扑变体。G 类拓扑充分利用了典型音频/音乐源都具有极高峰值因数 (10-20dB) 的这一有利条件。这就意味着峰值音频信号高于平均音频信号 (RMS)。大多数时候，音频信号都处在较低的幅值，极少时间会表现出更高的峰值。

新型 G 类拓扑使用自适应降压转换器，以产生随音频信号移动的电源电压。它为大多数平均音频信号产生有充足余量的低电源电压，并切换至高电源电压来适应偶发的峰值 电压。由于电源的自适应特性，高峰值因数的典型音乐/音频源的功耗得到极大降低。这样便带来更低的电池电流消耗，从而获得比 AB 类构架更高的效率。

这种电源电压为自适应型。它在高音量音频信号时升高，从而防止大峰值电压失真，同时在小音频峰值时下降来降低功耗。

G 类拓朴工作原理

图2 描述了 G 类放大器的运行情况，其在低音频电压峰值时的电源电压为 1.3V，并在高峰值时自适应升高至 1.8V。我们使用一个降压 DC/DC 转换器来产生这些低电源轨（请参见图3）。











G 类放大器使用自适应电源轨，并利用一个内置降压转换器来产生耳机放大器正电源电压 (HPVDD)。充电泵对 HPVDD 进行反相，并产生放大器负电源电压 (HPVSS)。这样便让耳机放大器输出可以集中于 0V。音频信号幅值较低时，降压转换器产生一个低 HPVDD 电压 (HPVDDL)（请参见图2）。这样便在播放低噪声、高保真音频的同时最小化了 G 类放大器的功耗。

如果由于高音量音乐或者瞬态峰值音频幅值增加，则降压转换器产生一个高 HPVDD 电压 (HPVDDH)。HPVDD 上升速率快于音频峰值上升时间。这样便可防止音频失真或削波。音频质量和噪声层不受 HPVDD 的影响。这种自适应 HPVDD 在避免削波和失真的同时最小化了电源电流。由于正常的听力水平在200mVRMS以下，因此 HPVDD 最常位于其最低电压 HPVDDL。所以，相比传统的 AB 类耳机放大器，G 类放大器拥有更高的效率。