【導(dǎo)讀】隨著音頻市場需求的不斷變化，音頻放大器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了很大進(jìn)步。在選擇適合具體應(yīng)用的最佳音頻放大器IC時(shí)，了解可用的音頻放大器類型及其特征至關(guān)重要。音頻放大器將小信號的幅值提高至有用電平，同時(shí)保留小信號的細(xì)節(jié)，這稱為線性度。放大器的線性度越好，輸出信號越能真實(shí)地表示輸入信號。
隨著音頻市場對放大器性能需求的不斷變化，音頻放大器電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了很大進(jìn)步。所以，設(shè)計(jì)者必須了解可選用的音頻放大器類型及其特點(diǎn)。這是確保選擇最佳音頻放大器的唯一方法。本文中，我們介紹當(dāng)今可用的各種音頻放大器的最重要特點(diǎn)：A類、B類、AB類、D類、G類、DG類和H類。
A類放大器
最簡單的音頻放大器為A類放大器。A類放大器具有導(dǎo)通的輸出晶體管(圖1)，與輸出信號波形無關(guān)。A類音頻放大器的線性度最好，但效率較低。這類放大器用于要求高線性度并且可用功率能滿足要求的應(yīng)用。
音頻放大器" height="123" width="180"/>
圖1. A類音頻放大器通常具有高線性度，但效率較低。
B類放大器
B類放大器采用推挽式放大器結(jié)構(gòu)。B類放大器的輸出采用正向和反向晶體管。為復(fù)現(xiàn)輸入信號，每個(gè)晶體管僅在信號波形的半周期(180°)期間導(dǎo)通(圖2)。這允許放大器在空閑時(shí)為零電流，因此比A類放大器的效率高。
B類放大器是一種折衷：效率提高，音頻質(zhì)量下降。這是因?yàn)榇嬖谝粋€(gè)交越點(diǎn)，兩個(gè)晶體管都從導(dǎo)通狀態(tài)跳變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。眾所周知，B類音頻放大器在處理低電平信號時(shí)存在交越失真，不適合低功率應(yīng)用。
圖2 .B類音頻放大器中，輸出晶體管僅在信號波形的半周期(180°)期間導(dǎo)通。為放大整個(gè)信號，使用兩個(gè)晶體管，其中一個(gè)在正向輸出信號導(dǎo)通，另一個(gè)在負(fù)向輸出信號導(dǎo)通。
AB類放大器
介于A類和B類放大器結(jié)構(gòu)之間的是AB音頻放大器。AB類放大器具有A類放大器結(jié)構(gòu)的音質(zhì)，同時(shí)具有B類放大器的效率。這種性能是采用以下方法實(shí)現(xiàn)的：將兩個(gè)晶體管偏置到導(dǎo)通接近于零的信號輸出，即B類放大器開始呈現(xiàn)非線性的點(diǎn)(圖3)。對于小信號，兩個(gè)晶體管均導(dǎo)通，作用相當(dāng)于A類放大器；對于大信號偏移，每半個(gè)波形周期內(nèi)只有一個(gè)晶體管導(dǎo)通，因此像B類放大器一樣工作。
AB類揚(yáng)聲器放大器具有高信噪比(SNR)、低THD+N，典型效率高達(dá)65%，使其成為高保真揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器的理想選擇。MAX98309和MAX98310等AB類放大器被廣泛用于便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、平板電腦和電子書閱讀器等必須保證高保真的設(shè)備。有些耳機(jī)放大器采用BTL配置的AB類放大器結(jié)構(gòu)。例如，MAX97220A耳機(jī)放大器在整個(gè)音頻頻率內(nèi)具有優(yōu)異的低THD+N性能，同時(shí)輸出高達(dá)125mW的功率。MAX97220A是當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛的AB類耳機(jī)放大器之一。更多示例請參考Maxim的 AB類放大器。
圖3. AB類放大器將兩個(gè)晶體管偏置，使其在信號接近零時(shí)能夠?qū)āＫ赃@類放大器的效率比A類放大器高，失真比B類放大器小。
D類放大器
智能手機(jī)、MP3播放器和便攜式擴(kuò)展塢等手持移動(dòng)音頻設(shè)備的普及將功耗問題推上了風(fēng)口浪尖。現(xiàn)在，必須通過降低功耗來延長電池壽命。D類放大器利用脈寬調(diào)制(PWM)產(chǎn)生滿擺幅數(shù)字輸出信號，利用占空比的變化表示模擬輸入信號(圖4)。由于輸出晶體管在工作期間要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)閉，所以這些放大器的效率較高(往往高達(dá)90%或更高)。該方法完全避免了使用晶體管的線性區(qū)域，而晶體管線形區(qū)正是造成其它類型放大器效率較低的原因。現(xiàn)代的D類放大器的保真度也可媲美AB類放大器。由于D類開關(guān)放大器具有較高效率，例如MAX98304和MAX98400A，所以被廣泛用于便攜式應(yīng)用。更多示例請參考Maxim的D類放大器。
圖4. D類音頻放大器輸出開關(guān)波形，頻率遠(yuǎn)高于需要復(fù)現(xiàn)的最高音頻信號頻率。由于輸出晶體管在工作期間要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)閉，所以這些放大器的效率較高。
G類放大器
G類放大器與AB類放大器類似，但使用兩路或多路供電電壓。G類放大器工作在低信號電平時(shí)，選擇低電源電壓。當(dāng)信號電平升高時(shí)，這些放大器自動(dòng)選擇相應(yīng)的電源電壓(圖5)。G類放大器僅在必要時(shí)使用最高電源電壓，而AB類放大器始終使用最高電源電壓，所以G類放大器的效率高于AB類放大器。
便攜式音頻應(yīng)用中有一個(gè)常見的問題：可供揚(yáng)聲器放大器使用的電源電壓是有限的。G類功率放大器利用電荷泵將電源升壓，從而解決了電源電壓問題。例如，MAX9730揚(yáng)聲器放大器為傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器進(jìn)行優(yōu)化，而MAX9788揚(yáng)聲器放大器設(shè)計(jì)用于陶瓷揚(yáng)聲器。更多示例請參考Maxim的G類放大器。
音頻放大器" height="208" width="263"/>
圖5. G類放大器僅在必要時(shí)使用最高電源電壓，所以其效率高于AB類放大器。
DG類放大器
DG類放大器利用PWM產(chǎn)生滿擺幅、占空比可變的數(shù)字輸出信號。在這方面，DG類放大器與D類放大器相同。然而，DG類放大器也使用多電平輸出級檢測輸出信號的幅值(圖6)；然后根據(jù)需要切換電源軌，以更高效率提供要求的功率。DG類放大器，例如MAX98308，采用與D類放大器結(jié)構(gòu)相同的雙電源概念，獲得更高的效率。更多示例請參考Maxim的DG類放大器。
音頻放大器" height="174" width="398"/>
圖6. DG類放大器檢測輸出信號的幅值，然后根據(jù)需要切換電源軌，以更高的效率提供需要的功率。
H類放大器
H類放大器調(diào)制其電源電壓，最大程度減小輸出級的壓降。實(shí)現(xiàn)方法包括從使用多個(gè)分立式電壓到無限可調(diào)電源等。盡管與G類放大器降低輸出器件功耗的技術(shù)相類似，但H類放大器結(jié)構(gòu)不要求多個(gè)電源(圖7)。
H類放大器一般比其它音頻放大器設(shè)計(jì)更復(fù)雜。這些放大器要求精確的控制電路，以預(yù)測和控制電源電壓。音頻編解碼IC，例如MAX98090和MAX98091，集成了AB類耳機(jī)放大器和H類電源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了極低功耗、提供了完備的音頻方案。更多示例請參考Maxim的H類放大器。
圖7. H類音頻放大器降低了輸出器件的功耗，放大器的工作效率與優(yōu)化的AB類放大器相當(dāng)，而與輸出功率無關(guān)。
總結(jié)
本文簡要介紹了當(dāng)今設(shè)計(jì)中常用的多種音頻放大器。顯而易見，無論為何種類型的設(shè)備設(shè)計(jì)音頻電路，都應(yīng)該嚴(yán)格確定最適合具體應(yīng)用的音頻放大器結(jié)構(gòu)。充分了解不同類型的音頻放大器，將有助于選擇最適合設(shè)計(jì)的音頻放大器。
推薦閱讀：
能夠?qū)崿F(xiàn)高速信號的接口
參數(shù)測量單元(PMU)的布線指南
曝光：毫米波雷達(dá)為何還未被激光雷達(dá)取代？
分享一種緊湊型Doherty放大器的設(shè)計(jì)方法
電磁兼容微講堂之振鈴波標(biāo)準(zhǔn)解讀與交流
