随着半导体产业整合程度日趋完善,电子产品尺寸逐渐缩小,效能却不断增长。用户体验因此持续改善,而装置实体尺寸也已不再有决定性的影响。各类产品音频及视讯接口的改良趋势,则促成了目前的产业模式。
 
为小型便携设备的用户接口添加高保真音频功能,将能带来诸多好处。装置不再发出单调的提醒声,而是以当地语言清晰提供指示,实现「免视」操作的用户体验,适合消费性、工业及医疗等产品应用领域。随着 Amazon Echo 和 Google Home 等数字助理问世,人们逐渐接受自然语言技术,并且习惯与之互动。
 
数字助理会在云端执行深度学习算法,藉以理解指令并使用当地语言音频做出回应,而搭载这类技术的产品应用,需要的不再只是麦克风和扬声器而已;挑战在于,必须为更小的装置添加高质量的音频功能。
 
偏压切换
 
音频放大器因应人耳对噪声和失真的敏感度,结合了正规放大器的若干设计特性。基本上,所有放大器皆在模拟电域中运作,因此本身属于线性装置,可以提供稳定增益、降低失真。透过偏压设计,放大器所配置的晶体管运作特性可以改变,进而实现三种主要的线性放大器:A 类、B 类或 AB 类。
 
每种放大器各有优缺点,可让工程师在保真度和效率之间均衡取舍。例如,A 类放大器仅采用一个晶体管,即使输入讯号为零亦能获得偏压,线性度虽佳,但效率极差。B 类放大器配置两个晶体管,分别导通半个周期,无论何时只有一个晶体管处于导通状态。此类型虽然效率较佳,但两个晶体管交替开启或关闭时会导致失真;这就是所谓的交越失真。但开发人员发现,只要稍微调整偏压,就能大幅减少交越失真,因而开发出 AB 类放大器。图 1 显示三种线性放大器的比较。
 
虽然 AB 类放大器系统能实现 80% 左右的高效率,但耗损也随之增加;为了克服这个问题,非线性 (或称切换式) 放大器的构想应运而生。切换式放大器的晶体管处于完全导通或完全关闭的状态,而非部分导通或部分关闭。这项设计的数字化程度远高于其他类型,在操作上的各方面也与交换式电源有密切关联。切换式放大器理论效率为 100%;而在合理的输出功率下,实际效率则可达到 90%。切换式放大器的这些特性,格外获得小型或可携式 (电池供电) 装置开发商青睐。
 
然而,切换式拓扑也有自身的挑战必须克服。有别于平顺放大的输入模式,其输出为脉波宽度调变 (PWM) 方波,必须转回模拟波形,才能准确呈现输入讯号。
 
剖析 D 类放大器
 
在音频产品应用中,最常见的就是 D 类放大器拓扑。要使 PWM 呈现输入讯号,最基本的生成方法,就是依据输入讯号与参考波形的振幅差异,使用比较器来切换输出的开启和关闭。如图 2 所示,当输入大于参考时,输出为高;当输入低于参考时,输出为低。
 
输出级可采用互补式双 FET 的简单组态,实现一开一关的运作模式 (通常为一个 PNP 晶体管搭配一个 NPN 晶体管)。这称为半桥组态,亦可与交换式电源产生共振。或许不意外的是,全桥式组态 (配置两个半桥级) 也很常见,此设计可转换负载通路,产生双向电流;这种拓扑通常称为桥接式负载 (BTL)。
 
由于具有电源电压一半 (VDD/2) 的直流偏移与 50% 的负载周期,因此若采用半桥输出级,即使没有输出条件,电流也会通过负载;若是全桥输出级,负载两端皆会发生电流偏移。如此可有效消除静态电流,而且在单一供电模式下无需阻隔电容,但较显著的影响在于,输出摆幅可能增加两倍。
这是由于全桥输出级的 FET 数量多达两倍,因此提高切换损耗等系统成本,并导致输出功率受限。不过,有赖于业界持续改良扬声器技术,此缺点对许多音频产品应用来说已不再是问题。
 
免滤波设计
 
传统上,若要重新建构 PWM 输出波形,输出端必须搭配低通滤波器,才能过滤 PWM 讯号中的高频元素,确保音频顺利通过。此设计为了处理峰值输出功率,必须采用够大的电感器,致使 PCB 占去更多面积,而 BOM 也随之提高。
 
如此一来,D 类放大器可能不适用于小型和便携设备,但这却成为音频产品应用的优势。扬声器其实是一种电感负载技术,其内建的电感器可以成为低通 LC 滤波器的一部分,藉以重新建构波形。使用扬声器本身的电阻和电感,当作低通输出滤波器的组件,可大幅减少 BOM,并将 PCB 占用空间降至最低。
 
除此之外,扬声器的频率响应有所限制,因此已较无必要过滤 PWM 讯号中的高频元素。由于人类的听觉范围仅限于低频 kHz,耳朵就是现成的「天然滤波器」,能自动排除高频元素。
 
精心设计的 BTL 输出级,可让扬声器发挥低通滤波器功能,用以过滤 PWM 讯号;不过,放大器设计确实必须特别关注产品应用领域。在直接连接的情况下,电流会持续通过扬声器,而导致装置损坏;或者,在输出发生偏压时,则可能使动态范围受限。在静止状态下,BTL 输出级必须确保没有电流通过负载,才能避免上述问题。
 
当然,音讯保真度至关重要,因为人耳很容易听出异常音频。为了呈现最理想的音频质量,D 类音频放大器部署了整合式回馈系统,实现出色的 THD+N (总谐波失真加噪声) 与 PSRR (电源供应抑制比);工程师在选择 D 类拓扑音讯放大器时,应审慎评估这两项设计参数。
 
广受青睐
 
随着用户逐渐习惯音频回馈与控制系统,小型音频放大器的产品应用领域也持续成长。自动化语音响应技术不仅适用于手机和媒体播放器,亦能在医疗、工业设备、消费性装置和家电领域发挥作用。
 
由于应用广泛、输出功率需求相对较低等优点,高度整合 D 类放大器将持续带动市场发展,而这也是 Diodes PAM8014 等装置的产品定位;本款免滤波 D 类放大器采用晶圆级 BGA 封装,尺寸仅 1.2mm x 1.2mm,输出功率高达 3.2W,几乎无需搭配任何外部组件 (如图 3 所示)。
 
本产品不仅实现 BTL 输出级,还内建短路保护与热关机功能,关断模式下的电流更低于 1μA。此外,总谐波失真 (THD) 在 3.2W 输出时仅 10%,而在供应电压 5V 的作业条件下可支持 4Ω 负载;输出功率为 0.5W 时,THD+N 会降至仅有 0.14%。如图 4 所示,增益取决于输入和回馈电阻的比例,效率高达 93%。
 
本装置设有额外机制,以避免开启或关闭时的瞬态效应 (可能发出「啪声」与「咔嚓声」),方法是停用放大器,直到参考电压达到供应电压的一半为止。热保护机制采用非锁存关断设计,预定于内部晶粒温度超过 150°C 时触发;若在输出接脚侦测到短路,或是供应电压低于 2.0V,也会进入相同模式。另外,针对 EN 接脚施加低逻辑电位,即可手动进入关断模式。
 
结论
 
使用 D 类放大器,即使最小的装置也能添加音频输入功能。高度整合的解决方案更结合了免滤波实作、高效能、良好 EMI 与出色的 PSRR,进而实现新一代的智能型装置。