降低AB類放大器功耗　G/H類放大器實現高音質

2010-10-01

Helmut Theiler/Herbert Lenhard/Horst Gether

在傳統的高傳真系統中，音質一直是音訊放大器技術規格中最大的賣點，較少著墨於電力損耗。隨著音訊產業中可攜式高傳真領域的成長，傳統放大器裝置效率的提升已成為當前亟待解決的問題，而G/H類放大器則可解決AB類放大器功耗問題。

傳統上，音訊播放設備廣泛採用所謂的AB類放大器，此類放大器的優點是產生的失真情形較少，從而能釋放出高音質。然而，AB類放大器的運作方式卻造成效率欠佳的缺點，亦即內部電晶體的電壓降(Voltage Drop)會隨著輸出電壓降低而增加。放大器的電晶體會消耗過多電力，因此，隨著輸出至揚聲器的電力下降，系統的效率便會降低。

對於由電源供電的高傳真音響設備來說，這不是太大的問題，但對於由電池提供電力的音訊裝置，如行動電話和MP3播放器而言，這是一個相當大的困擾，因為音訊放大器的耗電量會占掉系統電力預算的極大比例。以MP3播放器為例，音訊放大器耗電量占整體功耗高達80%。結果就是，音訊設備設計師須尋找能強化AB類拓撲的方法。

本文要探討的問題在於，藉由使用G類或H類等新技術所達到的省電效果是否值得？以及若某系統設計師採用G類或H類放大器，則採用G類或H類的不同方法之間所帶來的功耗差異，是否大到足以影響整體的電力預算？

可攜式裝置所使用的音訊放大器通常會採用16歐姆(Ω)或32Ω阻抗，這兩種阻抗往往會消耗設備的大部分電力預算。這也意謂任何有關功率放大器效率的改善，都能顯著改善整體裝置的效率及電池運作時間。影響傳統音訊放大器最重要的參數是峰值輸出功率(Peak Output Power)。這視裝置所使用的耳機種類而定，相較於頭戴式耳機，耳塞式需要的峰值功率條件較低，不過一般的輸出功率值大部分是兩聲道中的各聲道消耗4～2×30毫瓦(mW)的範圍間。

就具有32Ω阻抗的耳機揚聲器而言，若輸出功率為30mW，則需要±1.38Vpk的放大器輸出擺幅。這個階段的放大器應用程序將需額外約100～200毫伏特(mV)的電壓空間，因此耳機放大器的電壓將是2×1.5V=3.0V。為避免使用對應用程序而言太大的輸出直流(DC)解耦合電容器，一般會搭配電荷泵用來產生耳機放大器所需的負供電軌，如此音訊輸出的運作便在電池-接地(Battery-ground)附近。此種組態便是一般所謂「真接地(True-ground)」耳機放大器，其使用1.5V正電；-1.5V電源軌則來自電荷泵。

最常使用的電池種類為鋰離子電池，一般會產生3.6V輸出。效率佳的直流對直流(DC-DC)降壓轉換器能在沒有大幅損失的情況下，將電池輸出轉換為+1.5V供電，此為AB類放大器常見的組態，典型的系統區塊圖如圖1所示。

圖1　真接地耳機放大器架構

高品質DC-DC轉換器能以高達93%的效率，將鋰離子電池的電壓從3.7V轉換至固定的-1.5V輸出。毋庸置疑的，這個方法相較於任由所有電晶體消耗掉2.2V(3.7V電池電壓、-1.5V操作電壓)的情況更有效率。但這並無法掩蓋除高輸出電壓水準外，電晶體仍然會消耗大量電力的事實。要解決這個問題，須改變放大器本身內部的電源供應配置，而這便是G類和H類放大器被開發出來的原因。

H類放大器可彈性調整輸出電壓

上述音訊放大器的功率數據為峰值功率值。實際上，須用到最大電壓的時間極短，音訊訊號具有相當廣泛的動態範圍。大部分的時間，輸出電壓均低於0.5V，然而放大器的供電電壓卻可達到1.5V，輸出電壓和供電電壓之間的差異來自放大器內部電晶體所消耗的部分，這中間的差異是造成電力損失的主要原因。

為解決此缺點，G類和H類放大器採用的放大器供電電壓在一定程度上須適合必要輸出功率。G類放大器一般具有兩種供電層級，較高的供電層級決定自所需的最大輸出功率；較低的供電層級則是決定自最小的供電電壓，放大器能以此層級運作，且高於總諧波失真(Total Harmonic Distortion, THD)閾值。

相對於G類放大器，H類放大器能根據輸出訊號的需求彈性調整輸出電壓，因此H類放大器不受限於二或三種固定輸出電壓，能將最低可接受供電電壓順利轉換至來自降壓轉換器的任一種離散輸出電壓。因此H類放大器能以和實際輸出電壓密切匹配的供電電壓運作，減少供電電壓和輸出電壓之間的差異，減少電力的流失。

事實上，由於音訊設備大部分時間都是以最低可接受供電電壓運作，因此G類和H類放大器的功耗，以及耳機占系統總功耗的比例，或多或少便是由總諧波失真閾限內較低的電平所決定，可將此重要參數，亦即最小供電電壓稱為VSUPMIN。

圖2中的圖表顯示各種放大器在電力消耗方面的差異，每一種放大器的正和負電壓均以黑色虛線標出。G類放大器可支援1.5V和1.2V(VSUPMIN)兩種輸出電壓，另一方面，H類放大器則額外支援介於1.5V和1.2V的層級，可發現G類和H類放大器明顯減少電力浪費。

圖2　不同放大器組態的電力浪費情況

再者，相較於AB類放大器，G或H拓撲的複雜度或成本並未高出許多，圖3為G/H類放大器的簡化區塊圖。與AB類放大器最大的不同在於DC-DC轉換器不再具有固定的輸出電壓，變動電壓輸出須將另外來自放大器輸出級的回饋訊號傳送至DC-DC轉換器，如此才能根據音訊訊號調整輸出電壓。

圖3　G/H類放大器區塊圖

H類放大器較G類表現優異

基於成本和可行性的考量，耳機放大器一般是採用互補式金屬氧化物半導體(CMOS)技術製造。雖然VSUPMIN的理想值取決於放大器電路的設計，然而實際上，更大程度是取決於用以製造放大器的CMOS技術最低臨界電壓。

在現今的放大器設計中，VSUPMIN是以2×VTH+Vdsat的公式計算。若製造此元件的CMOS製程可藉由達到較低的電晶體臨界電壓，進而支援較低的VSUPMIN數值，將可取得一個更好的結果。例如，若此放大器以±1.2V的最低供電電壓運作，與播放相同訊號卻僅須耗費±0.9V操作電壓的放大器相比，前者消耗的電力將較後者多出30%。

這正是廠商的特殊LowVT CMOS製程所能做到的，這些製程已被用於生產全新的AS3561元件。該元件為H類放大器，可提供±0.9V的供電電壓予耳機放大器，搭配高效率DC-DC轉換器及自適應式電荷泵共同運作，可以把功耗降低，若以2×0.1mW播放，電池電壓為3.6V，則電流消耗一般僅1.7mA，此種高效率架構和G類及AB類架構之間的功耗差異，請見圖4。