中心議題：

• 不同的耳機放大器配置
• 介紹Class-G 技術
• AB 類及 G 類接地置中架構的電池使用時間比較

解決方案：

• AB 類解決方案
• G 類 DirectPath 耳機放大器為 TPA6140A2解決方案

隨著DVD 播放器、MP3 播放器，甚至是內置 FM 廣播及 MP3 等(deng)音(yin)頻(pin)功(gong)能(neng)的(de)手(shou)機(ji)等(deng)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)便(bian)攜(xie)式(shi)音(yin)頻(pin)裝(zhuang)置(zhi)在(zai)市(shi)場(chang)熱(re)銷(xiao)，

，這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)顯(xian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)不(bu)足(zu)。因(yin)此(ci)，特(te)定(ding)功(gong)能(neng)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)尺(chi)寸(cun)變(bian)得(de)極(ji)為(wei)重(zhong)要(yao)，而(er)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)人(ren)員(yuan)正(zheng)試(shi)圖(tu)找(zhao)出(chu)如(ru)何(he)在(zai)達(da)到(dao)預(yu)期(qi)功(gong)能(neng)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)將(jiang)需(xu)要(yao)的(de)組(zu)件(jian)數(shu)量(liang)降(jiang)到(dao)最(zui)低(di)。將(jiang)音(yin)頻(pin)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)到(dao)耳(er)機(ji)一(yi)直(zhi)以(yi)來(lai)都(dou)需(xu)要(yao) DC 阻隔電容，其替代解決方案不是有先天限製，就是過於簡化而不切合實際需求
，或不被市場接受。

本文特別著重在耳機放大器架構
，除了說明其優缺點，也介紹全新的解決方案
，該解決方案可解決某些耳機放大器架構所造成的問題。

不同的耳機放大器配置

不采用大型 DC 阻隔電容驅動耳機的其中一種傳統方法，是將連接器的接地接腳偏移到中軌
，也就是 VDD/2 (VBIAS)。由於大多數消費性耳機放大器都是單一供應電源，因此

，要達到良好的動態範圍，唯一的方法是以 DC 將音頻偏移到 VDD/2，使信號能擺蕩到接地及 VDD。由於接地接腳連接 VDD/2，因此其中主要的缺點是
，隻要連接 到Hi-Fi 放大器或以電源驅動的喇叭等接地為真實接地 (亦即 0V) 的外部設備

，就會造成接地回路問題，並引發不必要的噪聲或設計問題。
 

圖 1. 含偏移接地套管的輸出單端耳機放大器

如圖 1 所示，最傳統的耳機放大器架構是含 DC 阻隔電容的單端放大器。
 

圖 2. 含 DC 阻隔電容的單端耳機放大器

從中可看出
，耳機驅動的輸出偏移到 VDD/2 (VOUT)，而音頻從 VDD 擺蕩到接地。其中需要 DC 阻隔電容，才能將移除此偏壓
，讓訊號在接地周圍有效擺蕩

，也就是在 –VDD/2 至 +VDD/2 之間擺蕩。此架構的優點是能夠使用標準的耳機接孔，然而，這類方法的主要問題在於低頻率響應。耳機阻抗一般是 16Ω 或 32Ω
，而輸出電容及耳機喇叭阻抗兩者會形成高通濾波
，其截止頻率為 3dB
，如等式 1 所示： 
 (等式 1)
截止頻率必須在耳機的音頻頻帶範圍內，此頻帶會因製造商的不同而有所差異，但一般的範圍是 20Hz 至 20kHz 之間。為了不使低音頻頻率衰減，高通濾波的截止頻率至少必須大約是 500Hz 以下。

將等式 1 改寫為等式 2，即得出：
         (等式 2)
對於 100Hz 的截止頻率及 16Ω 的耳機喇叭阻抗
，電容必須是 110μF。對於需要小體積尺寸的情況而言，這會造成電容值及實體尺寸過大，而且使得成本過高。許多工程人員隻能改用 22μF 的較小電容
，不過這會影響耳機的低頻率傳真度，而導致低音響應不佳。

各種執行都有其優缺點，不過，對於需要較佳音頻並避免潛在接地回路問題或大型 DC 阻隔電容的設計人員而言，一種稱為接地置中或「無電容」的較新架構開始備受矚目。

TPA4411、TPA6130A2 及 TPA6132A2 等由德州儀器提供的接地置中或 DirectPathTM 耳機放大器使用創新的做法來省卻通常使用的 DC 阻隔輸出電容。其做法並非將音頻偏移至裝置內的 VDD/2，而是整合了一顆電荷泵並提供一組負電源軌
，進而讓耳機放大器在正電源軌 (VDD) 與負電源電壓 (VSS) 之間擺蕩。這完全不需要任何偏移，因此不再需要輸出的高通濾波。這能夠讓耳機喇叭播放整個音頻頻帶
，提供更好的音質。[page]
 

圖 3. 含整合式電荷泵的接地置中 DirectPathTM 耳機放大器

圖 4 顯示該高通濾波器的頻率響應如何隨著不同的 DC 阻隔電容產生變化。對於 16Ω 的固定負載阻抗，隻要改變輸出 DC 阻隔電容

，截止頻率便會隨之變動。結果是當電容值減小，截止頻率就會提高，而且越少音頻低音內容能被傳輸到耳機喇叭。
 

圖 4. 輸出頻率響應比較

這種做法看起來很理想，不過，由於整合式電荷泵的低效運作，相較於含偏移接地套管或大型 DC 阻(zu)隔(ge)電(dian)容(rong)的(de)傳(chuan)統(tong)耳(er)機(ji)放(fang)大(da)器(qi)，接(jie)地(di)置(zhi)中(zhong)耳(er)機(ji)放(fang)大(da)器(qi)會(hui)耗(hao)用(yong)較(jiao)多(duo)的(de)電(dian)源(yuan)，而(er)略(lve)微(wei)縮(suo)短(duan)係(xi)統(tong)的(de)電(dian)池(chi)使(shi)用(yong)時(shi)間(jian)。為(wei)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)的(de)創(chuang)新(xin)做(zuo)法(fa)是(shi)使(shi)用(yong)改(gai)良(liang)的(de) Class-G技術。

Class-G 技術

在 AB 類放大器的接地置中架構做法中
，放大器總是以最高電源電壓運作
，這表示，對於音頻的無噪聲階段而言，整個輸出 FET 的電壓降幅相當大。以鋰離子電池為例，一般的電池電壓範圍是 3.0V 至 4.2V。假設電池供應 3.6V 的電壓，圖 5 的紅色箭頭表示播放輸出音頻時整個輸出 FET 的電壓降幅。
 

圖 5. AB 類接地置中耳機放大器運作

假設放大器的靜態電流相較於流向負載的電流來說非常地小，即可推算電池電流與輸出電流呈正比。
(等式 3)
圖 6 顯示 AB 類接地置中耳機簡易示意圖。隨著音頻的變化，整個輸出 FET 的電壓降幅也會變動。裝置的功率損耗是電壓降幅乘以電池電流 (IBATT) 所得的乘積。
 

 
圖 6. AB 類接地置中耳機示意圖

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G 類放大器一般使用多個電源電壓，以發揮比 AB 類放大器更高的效率。在本例中，TI 最新的 G 類 DirectPath 放大器 (TPA6140A2) 首先將電池電壓降低至較低的電壓值，然後切換至低信號強度的低供應電壓 (1.3V)
，並且隻有在信號強度超出該低電源電壓軌時，才切換至較高的電源電壓 (1.8V)。這些適應性電源電壓軌的升降速度高於音頻

，因此可避免失真或削波。此外，由於一般聆聽的音頻低於 200mVRMS，因此電源電壓通常是最低值 (亦即 1.3V)，並且提供優於上述 AB 類(lei)放(fang)大(da)器(qi)的(de)效(xiao)率(lv)。在(zai)音(yin)頻(pin)的(de)無(wu)噪(zao)聲(sheng)階(jie)段(duan)期(qi)間(jian)
，整(zheng)個(ge)電(dian)源(yuan)軌(gui)的(de)電(dian)壓(ya)會(hui)降(jiang)低(di)，而(er)且(qie)信(xin)號(hao)相(xiang)當(dang)小(xiao)。當(dang)音(yin)頻(pin)變(bian)得(de)大(da)聲(sheng)時(shi)，放(fang)大(da)器(qi)會(hui)切(qie)換(huan)至(zhi)較(jiao)高(gao)的(de)電(dian)源(yuan)軌(gui)，然(ran)後(hou)切(qie)換(huan)回(hui)較(jiao)低(di)的(de)電(dian)源(yuan)軌(gui)，導(dao)致(zhi)整(zheng)個(ge)輸(shu)出(chu) FET 的電壓降幅縮小。圖 7 的紅色箭頭表示此電壓降幅。
 

圖 7. G 類接地置中耳機放大器運作

其中的技巧是設計將電池電壓降低至較低電壓的放大器，並使用適應性電源軌 (分別有負電源軌) 降低播放音樂時整個輸出 FET 的電壓降幅。其中一種實現這類放大器的方式是，使用電荷泵作為圖 8 所示的步降區塊。某些工程人員偏好這類做法，原因在於步降電荷泵僅需要相對較小的飛馳電容(flying capacitor) (1μF 至 2.2μF)，而這也是相對較小的組件
 

圖 8. 含電荷泵步降轉換器的 G 類接地置中耳機簡化示意圖

這類解決方案的主要缺陷是電荷泵的效率極差，而且這類解決方案無法令電池使用時間延長。較好的做法是整合 DC/DC 步降轉換器
，以有效降低裝置的內部電源電壓，並減少電池電流。
 

圖 9. 含 DC/DC 步降轉換器的 G 類接地置中耳機簡化示意圖

圖 9 顯示 G 類接地置中耳機簡化示意圖。假設放大器的靜態電流遠小於流向負載的電流，即可推估電池電流是輸出電流的分數 (見等式 4)。同樣地
，隨著音頻的變化
，整個輸出 FET 的電壓降幅也會變動。此裝置的功率損耗是電壓降幅乘以電池電流 (IBATT) 的分數 (VDD/VBATT) 所得的乘積
，因此，此裝置將散失較少的功率。
(等式 4)
使用此解決方案的 G 類 DirectPath 耳機放大器為 TPA6140A2。此(ci)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)需(xu)要(yao)將(jiang)外(wai)部(bu)電(dian)感(gan)用(yong)於(yu)步(bu)降(jiang)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，但(dan)是(shi)
，由(you)於(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)相(xiang)當(dang)小(xiao)，而(er)且(qie)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)切(qie)換(huan)頻(pin)率(lv)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)
，因(yin)此(ci)可(ke)使(shi)用(yong)相(xiang)當(dang)小(xiao)的(de)芯(xin)片(pian)電(dian)感(gan)，也(ye)就(jiu)是(shi) 2.2uH
、 800mA 的 0805 尺寸電感。這能夠使解決方案的效率提高，而沒有上述電荷泵方法的電路板空間不足的缺點。
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AB 類及 G 類接地置中架構的電池使用時間比較

為證實 G 類 DirectPath 耳機放大器的效率優於傳統 AB 類解決方案，我們在實驗室進行了一項測試。圖 10 是一般接地置中耳機與 TPA6140A2 的比較。其中，兩個放大器都接上充滿電力的鋰離子電池。音頻輸入來自 PC，而輸出驅動各個 32Ω 耳機。兩個放大器持續播放相同的音頻

，而且以固定間隔測量電池電壓。

下圖的 Y 軸表示電池電壓，X 軸表示時間。綠線表示一般的接地置中耳機放大器，藍線表示 G 類耳機放大器。
 

圖 10. AB 類與 G 類接地置中耳機放大器的比較

相較於 AB 類 DirectPath 實作
，TPA6140A2 可延長 50 小時或 45% 的電池使用時間。

對於耳機放大器效率而言，必須考慮整體的係統功耗。舉例來說
，當今耳機的輸出功耗遠低於 MP3 編bian譯yi碼ma器qi的de功gong耗hao。在zai未wei來lai
，當dang這zhe類lei編bian譯yi碼ma器qi功gong能neng提ti升sheng到dao下xia一yi個ge製zhi程cheng技ji術shu節jie點dian時shi


，該gai功gong能neng的de功gong耗hao將jiang進jin一yi步bu降jiang低di，但dan耳er機ji放fang大da器qi的de輸shu出chu功gong耗hao需xu求qiu則ze不bu會hui降jiang低di。這zhe表biao示shi，耳er機ji放fang大da器qi的de效xiao率lv將jiang在zai下xia一yi代dai平ping台tai中zhong扮ban演yan更geng重zhong要yao的de角jiao色se。圖tu 11a 至 11b 闡明了這一點：
 

圖 11a.當今MP3 播放電流耗用量的範例

圖 11b.兩年後 MP3 播放電流耗用量的範例

圖 11a 顯示 G 類耳機放大器的平均電流耗用量大約是應用處理器的 10%。然而，幾年後，當應用處理器電流降低至大約 10mA 時，G 類耳機放大器的電流耗用量將約為 現在的30%。

結論

電池使用時間一直是便攜式應用的重要課題。相比含輸出 DC 阻隔電容的傳統 AB 類(lei)放(fang)大(da)器(qi)，接(jie)地(di)置(zhi)中(zhong)耳(er)機(ji)放(fang)大(da)器(qi)的(de)音(yin)頻(pin)性(xing)能(neng)較(jiao)佳(jia)，但(dan)是(shi)因(yin)為(wei)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)電(dian)荷(he)泵(beng)而(er)使(shi)得(de)效(xiao)率(lv)降(jiang)低(di)。隻(zhi)有(you)在(zai)信(xin)號(hao)強(qiang)度(du)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)切(qie)換(huan)時(shi)，才(cai)會(hui)切(qie)換(huan)兩(liang)個(ge)以(yi)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)電(dian)源(yuan)軌(gui)

，使(shi)得(de) G 類放大器能夠提升效率，也減少了不必要的功率損耗。TPA6140A2 等 G 類 DirectPath 耳機放大器結合了接地置中耳機放大器及 G 類放大器的優點。這能夠有效降低不必要的放大器功率損耗
，最終使得電池使用時間延長。