選擇最佳音頻放大器的唯一方法

音頻放大器將小信號的幅值提高至有用電平，同時保留小信號的細節(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，音頻放大器電路結構已經(jīng)取得了很大進步。所以，設計者必須了解可選用的音頻放大器類型及其特點。這是確保選擇最佳音頻放大器的唯一方法。本文中，我們介紹當今可用的各種音頻放大器的最重要特點：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類放大器具有導通的輸出晶體管(圖1)，與輸出信號波形無關。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用。


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構。B類放大器的輸出采用正向和反向晶體管。為復現(xiàn)輸入信號，每個晶體管僅在信號波形的半周期(180°)期間導通(圖2)。這允許放大器在空閑時為零電流，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。這是因為存在一個交越點，兩個晶體管都從導通狀態(tài)跳變?yōu)殛P斷狀態(tài)。眾所周知，B類音頻放大器在處理低電平信號時存在交越失真，不適合低功率應用。


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°)期間導通。為放大整個信號，使用兩個晶體管，其中一個在正向輸出信號導通，另一個在負向輸出信號導通。

AB類放大器
介于A類和B類放大器結構之間的是AB音頻放大器。AB類放大器具有A類放大器結構的音質(zhì)，同時具有B類放大器的效率。這種性能是采用以下方法實現(xiàn)的：將兩個晶體管偏置到導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(圖3)。對于小信號，兩個晶體管均導通，作用相當于A類放大器；對于大信號偏移，每半個波形周期內(nèi)只有一個晶體管導通，因此像B類放大器一樣工作。

AB類揚聲器放大器具有高信噪比(SNR)、低THD+N，典型效率高達65%，使其成為高保真揚聲器驅動器的理想選擇。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、平板電腦和電子書閱讀器等必須保證高保真的設備。有些耳機放大器采用BTL配置的AB類放大器結構。例如，MAX97220A耳機放大器在整個音頻頻率內(nèi)具有優(yōu)異的低THD+N性能，同時輸出高達125mW的功率。MAX97220A是當今世界上應用最廣泛的AB類耳機放大器之一。更多示例請參考Maxim的 AB類放大器。


圖3. AB類放大器將兩個晶體管偏置，使其在信號接近零時能夠導通。所以這類放大器的效率比A類放大器高，失真比B類放大器小。

D類放大器
智能手機、MP3播放器和便攜式擴展塢等手持移動音頻設備的普及將功耗問題推上了風口浪尖?，F(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通，要么完全關閉，所以這些放大器的效率較高(往往高達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波形，頻率遠高于需要復現(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通，要么完全關閉，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，選擇低電源電壓。當信號電平升高時，這些放大器自動選擇相應的電源電壓(圖5)。G類放大器僅在必要時使用最高電源電壓，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。

便攜式音頻應用中有一個常見的問題：可供揚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揚聲器放大器為傳統(tǒng)的動態(tài)揚聲器進行優(yōu)化，而MAX9788揚聲器放大器設計用于陶瓷揚聲器。更多示例請參考Maxim的G類放大器。


圖5. G類放大器僅在必要時使用最高電源電壓，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類放大器結構相同的雙電源概念，獲得更高的效率。更多示例請參考Maxim的DG類放大器。


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。實現(xiàn)方法包括從使用多個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相類似，但H類放大器結構不要求多個電源(圖7)。

H類放大器一般比其它音頻放大器設計更復雜。這些放大器要求精確的控制電路，以預測和控制電源電壓。音頻編解碼IC，例如MAX98090和MAX98091，集成了AB類耳機放大器和H類電源結構，實現(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，而與輸出功率無關。

總結
本文簡要介紹了當今設計中常用的多種音頻放大器。顯而易見，無論為何種類型的設備設計音頻電路，都應該嚴格確定最適合具體應用的音頻放大器結構。充分了解不同類型的音頻放大器，將有助于選擇最適合設計的音頻放大器。