扬声器设计中选择正确的放大器

　　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。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(图1)。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。

　　

 

　　1：带常用输出级配置的A类(a)、B类(b)和A/B类(c)线性放大器设计

　　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(图2)。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(图3)。

　　

 

　　图2：G类耳机放大器(带分离电源)有助于挽回低输出功率时的效率损失

　　

 

　　图3：在G类耳机放大器工作中，1/4满刻度输出功率的信号效率近似等于满刻度功率信号的功率。

　　这里，信号电平驱动两个电压轨值