耳机放大器架构设置全新解决方案(二)

2013-09-09 15:39:22来源: 互联网

  

  图 6. AB 类接地置中耳机示意图

  G 类放大器一般使用多个电源电压,以发挥比 AB 类放大器更高的效率。在本例中,TI 最新的 G 类 DirectPath 放大器 (TPA6140A2) 首先将电池电压降低至较低的电压值,然后切换至低信号强度的低供应电压 (1.3V),并且只有在信号强度超出该低电源电压轨时,才切换至较高的电源电压 (1.8V)。这些适应性电源电压轨的升降速度高于音频,因此可避免失真或削波。此外,由于一般聆听的音频低于 200mVRMS,因此电源电压通常是最低值 (亦即 1.3V),并且提供优于上述 AB 类放大器的效率。在音频的无噪声阶段期间,整个电源轨的电压会降低,而且信号相当小。当音频变得大声时,放大器会切换至较高的电源轨,然后切换回较低的电源轨,导致整个输出 FET 的电压降幅缩小。图 7 的红色箭头表示此电压降幅。

  

  图 7. G 类接地置中耳机放大器运作

  其中的技巧是设计将电池电压降低至较低电压的放大器,并使用适应性电源轨 (分别有负电源轨) 降低播放音乐时整个输出 FET 的电压降幅。其中一种实现这类放大器的方式是,使用电荷泵作为图 8 所示的步降区块。某些工程人员偏好这类做法,原因在于步降电荷泵仅需要相对较小的飞驰电容(flying capacitor) (1μF 至 2.2μF),而这也是相对较小的组件

  

  图 8. 含电荷泵步降转换器的 G 类接地置中耳机简化示意图

  这类解决方案的主要缺陷是电荷泵的效率极差,而且这类解决方案无法令电池使用时间延长。较好的做法是整合 DC/DC 步降转换器,以有效降低装置的内部电源电压,并减少电池电流。

  

  图 9. 含 DC/DC 步降转换器的 G 类接地置中耳机简化示意图

图 9 显示 G 类接地置中耳机简化示意图。假设放大器的静态电流远小于流向负载的电流,即可推估电池电流是输出电流的分数 (见等式 4)。同样地,随着音频的变化,整个输出 FET 的电压降幅也会变动。此装置的功率损耗是电压降幅乘以电池电流 (IBATT) 的分数 (VDD/VBATT) 所得的乘积,因此,此装置将散失较少的功率。

  

  (等式 4)

  使用此解决方案的 G 类 DirectPath 耳机放大器为 TPA6140A2。此解决方案需要将外部电感用于步降转换器,但是,由于输出电流相当小,而且降压转换器的切换频率相对较高,因此可使用相当小的芯片电感,也就是 2.2uH 、 800mA 的 0805 尺寸电感。这能够使解决方案的效率提高,而没有上述电荷泵方法的电路板空间不足的缺点。

  AB 类及G 类接地置中架构的电池使用时间比较

  为证实 G 类 DirectPath 耳机放大器的效率优于传统 AB 类解决方案,我们在实验室进行了一项测试。图 10 是一般接地置中耳机与 TPA6140A2 的比较。其中,两个放大器都接上充满电力的锂离子电池。音频输入来自 PC,而输出驱动各个 32Ω 耳机。两个放大器持续播放相同的音频,而且以固定间隔测量电池电压。

  下图的 Y 轴表示电池电压,X 轴表示时间。绿线表示一般的接地置中耳机放大器,蓝线表示 G 类耳机放大器。

  

  图 10. AB 类与 G 类接地置中耳机放大器的比较

  相较于 AB 类 DirectPath 实作,TPA6140A2 可延长 50 小时或 45% 的电池使用时间。

  对于耳机放大器效率而言,必须考虑整体的系统功耗。举例来说,当今耳机的输出功耗远低于 MP3 编译码器的功耗。在未来,当这类编译码器功能提升到下一个制程技术节点时,该功能的功耗将进一步降低,但耳机放大器的输出功耗需求则不会降低。这表示,耳机放大器的效率将在下一代平台中扮演更重要的角色。图 11a 至 11b 阐明了这一点:

  

  图 11a.当今MP3 播放电流耗用量的范例

  

  图 11b.两年后 MP3 播放电流耗用量的范例

  图 11a 显示 G 类耳机放大器的平均电流耗用量大约是应用处理器的 10%。然而,几年后,当应用处理器电流降低至大约 10mA 时,G 类耳机放大器的电流耗用量将约为 现在的30%。

  结论

  电池使用时间一直是便携式应用的重要课题。相比含输出 DC 阻隔电容的传统 AB 类放大器,接地置中耳机放大器的音频性能较佳,但是因为需要使用电荷泵而使得效率降低。只有在信号强度需要进行切换时,才会切换两个以上的电压电源轨,使得 G 类放大器能够提升效率,也减少了不必要的功率损耗。TPA6140A2 等 G 类 DirectPath 耳机放大器结合了接地置中耳机放大器及 G 类放大器的优点。这能够有效降低不必要的放大器功率损耗,最终使得电池使用时间延长。

关键字:耳机  放大器  架构设置

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0909/article_19173.html
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