本文將為讀者分析單端、典型橋接負(fù)載和全差動(dòng)式音訊放大器，同時(shí)探討雜訊對(duì)于電源供應(yīng)和射頻整流的影響。
行動(dòng)電話(huà)、PDA和其它可攜式通訊設(shè)備常處于嚴(yán)苛吵雜的環(huán)境，這個(gè)現(xiàn)象促使許多廠(chǎng)商開(kāi)始發(fā)展新的音訊功率放大器，它們都採(cǎi)用射頻、共模和電源供應(yīng)拒斥比良好的全差動(dòng)式架構(gòu)。本文將深入分析單端、典型橋接負(fù)載和全差動(dòng)式音訊放大器，同時(shí)探討雜訊對(duì)于電源供應(yīng)和射頻整流的影響。
這個(gè)產(chǎn)業(yè)所使用的音訊功率放大器架構(gòu)可分成三大類(lèi)：?jiǎn)味恕⒌湫蜆蚪迂?fù)載和全差動(dòng)式放大器。單端音訊功率放大器通常是所有架構(gòu)中最簡(jiǎn)單的一種，但行動(dòng)電話(huà)卻較少利用它們?yōu)楹拖意徛暬蛎獬致?tīng)筒模式等應(yīng)用推動(dòng)喇叭；一般說(shuō)來(lái)，單端放大器是用來(lái)推動(dòng)耳機(jī)，讓使用者得以聆聽(tīng)MP3音樂(lè)或游戲音效，如(圖一)。
在典型的單電源、單端電路設(shè)計(jì)中，放大器的輸出端需要耦合電容來(lái)隔離直流偏壓，避免直流電流進(jìn)入負(fù)載。然而輸出耦合電容和負(fù)載阻抗卻會(huì)形成高通濾波器，其頻率由以下的方程式所決定：
 (公式一)
(圖一) 單端放大器
就效能觀點(diǎn)而言，此設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)在于負(fù)載阻抗通常很小，此處是介于4Ω和8Ω喇叭之間，這將使得低頻角頻率（FC）變得更高。要讓低頻訊號(hào)進(jìn)入喇叭，COUT就必須使用很大的電容，例如在喇叭阻抗為8Ω的情形下，如果COUT的電容值為68μF，那么頻率小于292Hz的任何訊號(hào)都會(huì)被衰減。
想要免除單端放大器的輸出電容（COUT），就需要使用分離式電源供應(yīng)，但這種解決方案并不適合無(wú)線(xiàn)環(huán)境，因?yàn)槭謾C(jī)設(shè)計(jì)人員必需增加一個(gè)直流轉(zhuǎn)換器來(lái)提供負(fù)電源，使得解決方案的成本和體積都會(huì)增加。除此之外，單端放大器在導(dǎo)通、截止、進(jìn)入關(guān)機(jī)模式和脫離關(guān)機(jī)模式時(shí)都很容易產(chǎn)生爆裂音，這些不必要雜訊的產(chǎn)生是因?yàn)槔葍啥顺霈F(xiàn)電壓變動(dòng)（電壓脈沖），它與此電壓脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間和寬度有關(guān)。
多數(shù)人只能聽(tīng)到20Hz至20kHz之間的聲音，因此當(dāng)脈沖寬度小于50μs時(shí)，耳朵就不會(huì)對(duì)它有任何反應(yīng)，因?yàn)榇藭r(shí)頻率將會(huì)高于20kHz，所以不會(huì)有爆裂音；如果脈沖的升起時(shí)間超過(guò)50ms，就表示其頻率小于20Hz，于是耳朵也聽(tīng)不到爆裂音。要產(chǎn)生人們熟悉的爆裂音，脈沖寬度必須大于50μs，脈沖的升起時(shí)間則要小于50ms。由于單端放大器必須立即截止導(dǎo)通才會(huì)產(chǎn)生脈沖，因此放大器的電壓上升速率必須超過(guò)50ms才能避免爆裂音出現(xiàn)，但這個(gè)速度對(duì)于大多數(shù)的智慧型手機(jī)應(yīng)用來(lái)說(shuō)實(shí)在太慢了。
使用單端電源供應(yīng)時(shí)，輸出直流阻隔電容所儲(chǔ)存的電荷也會(huì)造成爆裂音。當(dāng)放大器的輸出改變時(shí)，該電壓加上電容器原有電壓會(huì)出現(xiàn)在喇叭兩端，使其發(fā)出所謂的爆裂音。
最后，在討論音訊放大器時(shí)，提供至負(fù)載的功率也是一項(xiàng)重要考量。若使用單電源的單端放大器，喇叭的一端就會(huì)透過(guò)輸出電容連接至放大器的輸出端，另一端則會(huì)接地，于是喇叭兩端的電壓就只能在VDD和地電位之間改變。根據(jù)下面這個(gè)公式，可以計(jì)算放大器送至負(fù)載的功率值：
 (公式二)
峰至峰輸出電壓的最大值則是電源供應(yīng)電壓。假設(shè)輸出為正弦波，那么均方根值輸出電壓的最大值就是：
 (公式三)
理論上的最大輸出功率則為：
 (公式四)
后面文中將證明在同樣的電源供應(yīng)和負(fù)載阻抗條件下，橋式負(fù)載和全差動(dòng)式放大器的輸出功率可以達(dá)到單端放大器的四倍。
今日的行動(dòng)電話(huà)和可攜式通訊裝置都使用同樣類(lèi)型的音訊放大器架構(gòu)：?jiǎn)味溯斎牒蜆蚴截?fù)載輸出(圖二)。橋式負(fù)載放大器是由兩個(gè)單端放大器組成，分別推動(dòng)負(fù)載的一端，第一個(gè)放大器（A）會(huì)決定增益值，第二個(gè)放大器（B）則是做為單位增益反相器。這種橋式負(fù)載放大器的增益是由下式定義：
 (公式五)
受到單位增益反相放大器（B）的影響，放大器的增益值會(huì)加倍。傳送至負(fù)載的功率是這種差動(dòng)式驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)之一，利用差動(dòng)方式來(lái)推動(dòng)喇叭，那么每當(dāng)一端的電壓下降時(shí)，另一端的電壓就會(huì)上升，反之亦然；相較于負(fù)載一端接地的方式，差動(dòng)設(shè)計(jì)的特性實(shí)際上會(huì)讓負(fù)載的電壓擺幅加倍。由于負(fù)載兩端的電壓擺幅會(huì)加倍，因此輸出功率方程式就變成：
 (公式六)
于是橋式負(fù)載在理論上的最大輸出功率就變成：
 (公式七)
相較于使用單電源的單端音訊功率放大器，喇叭兩端電壓加倍后，就算電源電壓和負(fù)載阻抗都保持相同，輸出功率也會(huì)增加四倍。
旁路電容（CBYPASS）是另一項(xiàng)需要考慮的因素，該電容是電路中最重要的元件，因?yàn)樗鼤?huì)承擔(dān)多項(xiàng)重要功能。首先，放大器的電壓上升速率就是由旁路電容決定，若放大器的電壓上升速率緩慢，爆裂音的產(chǎn)生就會(huì)減少。旁路電容和負(fù)責(zé)產(chǎn)生電源中點(diǎn)電壓的高阻抗電阻分壓器電路會(huì)形成一個(gè)RC時(shí)間常數(shù)，而如前所述，只要這個(gè)時(shí)間常數(shù)大于50ms，使用者就不會(huì)聽(tīng)到爆裂音。
旁路電容的第二個(gè)功能是減少電源供應(yīng)所產(chǎn)生的雜訊，這個(gè)雜訊是由耦合進(jìn)來(lái)的輸出驅(qū)動(dòng)訊號(hào)所產(chǎn)生，該訊號(hào)則來(lái)自于放大器內(nèi)部的電源中點(diǎn)電壓產(chǎn)生電路。這個(gè)雜訊會(huì)造成電源供應(yīng)拒斥比的下降，例如在電源供應(yīng)充滿(mǎn)了雜訊的系統(tǒng)中，它會(huì)影響系統(tǒng)的總諧波失真與雜訊值（THD＋N）。
相較于單端音訊放大器，這類(lèi)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是它在相同電源供應(yīng)下所能提供的輸出功率；除此之外，它也不再需要輸出直流阻隔電容，因?yàn)槔葍啥说腣DD/2偏壓就能將直流偏壓抵消�，F(xiàn)在，低頻效能只會(huì)受到輸入電路和喇叭響應(yīng)能力的限制。
然而這類(lèi)電路也有明顯缺點(diǎn)，例如雜訊耦合至單端輸入后，就會(huì)被放大器放大并出現(xiàn)在輸出端，其倍數(shù)相當(dāng)于放大器的增益值。由于放大器B并沒(méi)有回授至輸入端，耦合至輸出端的任何高頻雜訊也會(huì)造成喀嚓聲和嗡聲，這種效果稱(chēng)為射頻整流。
(圖二) 單端輸入和橋式負(fù)載輸出架構(gòu)
 全差動(dòng)式放大器
許多行動(dòng)電話(huà)、PDA、智慧型手機(jī)和新型無(wú)線(xiàn)裝置現(xiàn)已採(cǎi)用一種新型的音訊功率放大器架構(gòu)，它是如(圖三)所示的全差動(dòng)式音訊放大器。全差動(dòng)式放大器的增益值定義如下  (公式八)
全差動(dòng)式放大器採(cǎi)用差動(dòng)輸入和差動(dòng)輸出。這些功率放大器包含差動(dòng)和共�；厥陔娐罚顒�(dòng)回授確保放大器提供差動(dòng)電壓輸出，其值等于差動(dòng)輸入乘上增益值。回授電路則是由外部增益值設(shè)定電阻來(lái)?yè)?dān)任。
共模回授確保無(wú)論輸入端的共模電壓為何，輸出端的共模電壓都會(huì)偏壓至VDD/2。這個(gè)回授電路已內(nèi)建至元件中，它會(huì)利用分壓器和電容來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的電源中點(diǎn)電壓；輸出電壓會(huì)被偏壓至VDD/2，確保一個(gè)輸出不會(huì)在另一個(gè)輸出之前被截波。
凡是橋式負(fù)載放大器勝過(guò)單端放大器的優(yōu)點(diǎn)，全差動(dòng)式放大器也都具備，但它另有三項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)勝過(guò)典型的橋式負(fù)載放大器。首先，它不再需要輸入耦合電容，因?yàn)槭褂萌顒?dòng)式放大器后，輸入端就能偏壓至電源中點(diǎn)以外的其它電壓，所使用的放大器則須擁有良好的共模拒斥比（CMRR）。但若輸入偏壓超出了輸入共模范圍，就應(yīng)該使用輸入耦合電容。
其次，中點(diǎn)電壓的供應(yīng)電源也不再需要旁路電容CBYPASS，因?yàn)橹悬c(diǎn)電壓的任何改變都會(huì)等量影響正通道和負(fù)通道，并且在差動(dòng)輸出端相互抵消。拿掉旁路電容會(huì)使得電源拒斥比稍為下降，但由于它能省下一顆外部零件，設(shè)計(jì)人員或許仍愿接受這個(gè)略為降低的電源拒斥比。全差動(dòng)式放大器的最后一項(xiàng)主要優(yōu)點(diǎn)是它提供更強(qiáng)大的射頻雜訊抵抗能力，這主要?dú)w功于它擁有很高的共模拒斥比，并且採(cǎi)用全差動(dòng)式架構(gòu)。
要得知負(fù)載輸出功率，我們可以使用類(lèi)似于橋式負(fù)載放大器的計(jì)算方式，因?yàn)樗彩侨顒?dòng)式放大器。記住當(dāng)喇叭一端的電壓下降時(shí)，另一端就會(huì)上升，反之亦然；同樣的，相較于負(fù)載一端接地的方式，這種設(shè)計(jì)會(huì)讓負(fù)載的電壓擺幅加倍。橋式負(fù)載在理論上的最大輸出功率為：
 (公式九)
和橋式負(fù)載放大器的情形一樣，在同樣的電源電壓和負(fù)載阻抗下，喇叭兩端電壓加倍會(huì)使得輸出功率增加四倍。相較于前面介紹的各種放大器，這種架構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)在于它的抗雜訊能力。
音訊功率放大器的三大雜訊來(lái)源是：
●電源供應(yīng)雜訊
●輸入端耦合雜訊
●輸出端耦合雜訊
(圖三) 全差動(dòng)式音訊放大器
電壓供應(yīng)的變動(dòng)通常會(huì)在放大器輸出端造成很小的誤差電壓，電源供應(yīng)拒斥比就是放大器抵抗這些效應(yīng)的能力，它通常是以分貝值來(lái)表示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的電源供應(yīng)拒斥比方程式，其輸出電壓可計(jì)算如下：
 (公式十)
例如若電源供應(yīng)電壓改變500mV，差動(dòng)輸出電壓的變化值就等于22μV。
在TDMA和GSM行動(dòng)電話(huà)中，電壓供應(yīng)雜訊的主要來(lái)源是射頻電路在導(dǎo)通和截止之間的切換動(dòng)作。GSM手機(jī)是以217Hz的速率進(jìn)行切換，當(dāng)射頻功率放大器導(dǎo)通時(shí)，它會(huì)從電源供應(yīng)汲取很大的電流，這將使得電源供應(yīng)的電壓突降，其幅度最高可達(dá)500mV。電源拒斥比很差的音訊放大器會(huì)在喇叭造成高于217Hz的諧波喀嚓雜訊。
為了瞭解在217Hz切換速率下，電源供應(yīng)電壓下降500mV所可能造成沖擊，因此分別測(cè)試三顆全差動(dòng)式音訊功率放大器，它們是3.1W的AB類(lèi)放大器、1.25W的AB類(lèi)放大器以及2.5W的D類(lèi)放大器，前兩者的測(cè)試結(jié)果顯示，由于全差動(dòng)式放大器的電源拒斥比很高，供應(yīng)電壓的變動(dòng)幾乎不會(huì)對(duì)輸出訊號(hào)造成任何影響，因此它不會(huì)在喇叭造成217Hz的諧波喀嚓聲。
對(duì)于耦合至單端放大器輸入端的雜訊，主要問(wèn)題是它會(huì)被放大，其倍數(shù)等于放大器的閉迴路增益，然后出現(xiàn)在放大器的輸出端。除了在放大器前端對(duì)輸入訊號(hào)濾波之外，這類(lèi)放大器幾乎沒(méi)有任何的雜訊抵抗能力。
相形之下，全差動(dòng)式放大器卻有非常良好的雜訊拒斥能力，這種放大器只會(huì)放大兩個(gè)輸入端之間的訊號(hào)差異部份，因此耦合至差動(dòng)輸入端的任何共模干擾訊號(hào)在實(shí)際上都會(huì)被放大器所忽略。瞭解這個(gè)輸入耦合雜訊抵抗能力的最佳方式就是看它的共模拒斥比：
 (公式十一)
以1.25W的全差動(dòng)式AB類(lèi)放大器為例，可說(shuō)明共模拒斥比如何影響放大器的交流雜訊抵抗能力。首先，根據(jù)前述共模拒斥比方程式即可得到輸出電壓如下：
 (公式十二)
在20Hz至20kHz范圍內(nèi)的共模拒斥比為－74dB，增益則為1V/V。假設(shè)耦合至輸入端的共模雜訊在每個(gè)輸入接腳都是100mV，那么利用上式即可得到轉(zhuǎn)移至輸出端的雜訊值如下：
 (公式十三)
根據(jù)此方程式，差動(dòng)放大器的輸出端會(huì)出現(xiàn)20μV的漣波，但對(duì)于單端輸入放大器，結(jié)果卻是100mV再乘上放大器的閉迴路增益。
採(cǎi)用橋式負(fù)載輸出電路時(shí)，喇叭最常出現(xiàn)的雜訊是射頻功率放大器在217Hz速率下的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，通常這些開(kāi)關(guān)動(dòng)作聽(tīng)起來(lái)像是喀嚓聲或嗡嗡聲。要瞭解橋式負(fù)載放大器為什么無(wú)法抵抗耦合至其輸出端的雜訊，請(qǐng)參考(圖四)。
在導(dǎo)通狀態(tài)下，射頻功率放大器會(huì)送資料到基地臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)室里，測(cè)試人員在距離音訊放大器10公分的地方放置一部GSM手機(jī)，然后觀察音訊放大器輸出端所拾取的訊號(hào)，這個(gè)雜訊看起來(lái)像是被方波閘控的射頻訊號(hào)，示波器上的實(shí)際波形則如圖四所示。
觀察整個(gè)頻寬（>20MHz）即可發(fā)現(xiàn)放大器的每個(gè)輸出端都會(huì)拾取該雜訊，但它們并不會(huì)產(chǎn)生任何效果，因?yàn)槔葻o(wú)法再生如此高頻的訊號(hào)。但另一方面，若觀察橋式負(fù)載架構(gòu)小于20MHz的頻寬部份，卻會(huì)發(fā)現(xiàn)反相隨耦器（橋式負(fù)載放大器）試圖對(duì)GHz訊號(hào)做出響應(yīng)，這會(huì)導(dǎo)致其輸出端電壓（OUT－）以閘控方波訊號(hào)的速率（GSM為217Hz）隨著下降，使得喇叭出現(xiàn)喀嚓聲或是嗡嗡聲。
在量測(cè)過(guò)程中，雜訊會(huì)耦合至輸出端，而不是輸入端；若它是帶限訊號(hào)，OUT＋會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定，因?yàn)樗腎N－輸入端并未耦合雜訊。OUT－會(huì)有很大的漣波，因?yàn)镺UT＋是OUT－的輸入。從OUT＋到OUT－的反相放大器也試圖對(duì)閘控射頻波形做出響應(yīng)，但它只會(huì)對(duì)低頻部份做出響應(yīng)。若雜訊也耦合至輸入端，則由于共模拒斥比很低，OUT＋的雜訊會(huì)增加許多。
與典型橋式負(fù)載放大器相同的雜訊也會(huì)耦合至全差動(dòng)式放大器的輸出端。當(dāng)頻寬受到限制時(shí)，由于它會(huì)差動(dòng)回授至輸入端，所以不會(huì)有任何雜訊出現(xiàn)。若雜訊耦合至輸入端，全差動(dòng)式放大器會(huì)以其共模拒斥比來(lái)消除雜訊，因此相較于典型的橋式負(fù)載放大器，全差動(dòng)式放大器對(duì)于射頻雜訊顯然擁有更良好的抵抗能力。
(圖四) 音訊放大器輸出端所拾取的訊號(hào)
結(jié)論
音訊功率放大器很容易從可攜式無(wú)線(xiàn)通訊裝置所處的嚴(yán)苛環(huán)境中拾取雜訊，典型的橋式負(fù)載音訊功率放大器有多項(xiàng)限制，若雜訊耦合至這類(lèi)放大器的輸入端、輸出端或電源，就會(huì)造成喀嚓聲和嗡嗡聲。相較之下，全差動(dòng)式放大器在這類(lèi)環(huán)境的表現(xiàn)卻較為杰出，這要?dú)w功于它的全差動(dòng)式回授架構(gòu)以及抵消射頻整流效應(yīng)的能力，使它得以將行動(dòng)電話(huà)的雜音減至最少。
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