为什么G类音频放大器可以拥有很高的效率？
2011-04-19
作者：Shreharsha Rao
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。
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。
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
图1 各种放大器拓扑的导电角
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。
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。
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。
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
图1 各种放大器拓扑的导电角
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）。
图2 G类拓扑自适应移动放大器电源实现节能
图3 G类耳机放大器结构图
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。
关于作者
Shreharsha Rao现任TI系统工程师，主要负责低功耗无线和RFID系统的应用开发。他获得了电子工程硕士学位，喜欢远足旅行，体育并且还加入了扑克联赛。