本文將為讀者分析單端、典型橋接負(fù)載和全差動式音訊放大器，同時探討雜訊對于電源供應(yīng)和射頻整流的影響。
行動電話、PDA和其它可攜式通訊設(shè)備常處于嚴(yán)苛吵雜的環(huán)境，這個現(xiàn)象促使許多廠商開始發(fā)展新的音訊功率放大器，它們都採用射頻、共模和電源供應(yīng)拒斥比良好的全差動式架構(gòu)。本文將深入分析單端、典型橋接負(fù)載和全差動式音訊放大器，同時探討雜訊對于電源供應(yīng)和射頻整流的影響。
這個產(chǎn)業(yè)所使用的音訊功率放大器架構(gòu)可分成三大類：單端、典型橋接負(fù)載和全差動式放大器。單端音訊功率放大器通常是所有架構(gòu)中最簡單的一種，但行動電話卻較少利用它們?yōu)楹拖意徛暬蛎獬致犕材Ｊ降葢?yīng)用推動喇叭；一般說來，單端放大器是用來推動耳機(jī)，讓使用者得以聆聽MP3音樂或游戲音效，如(圖一)。
在典型的單電源、單端電路設(shè)計中，放大器的輸出端需要耦合電容來隔離直流偏壓，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的任何訊號都會被衰減。
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線環(huán)境，因為手機(jī)設(shè)計人員必需增加一個直流轉(zhuǎn)換器來提供負(fù)電源，使得解決方案的成本和體積都會增加。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)模式時都很容易產(chǎn)生爆裂音，這些不必要雜訊的產(chǎn)生是因為喇叭兩端出現(xiàn)電壓變動（電壓脈沖），它與此電壓脈沖的上升時間、下降時間和寬度有關(guān)。
多數(shù)人只能聽到20Hz至20kHz之間的聲音，因此當(dāng)脈沖寬度小于50μs時，耳朵就不會對它有任何反應(yīng)，因為此時頻率將會高于20kHz，所以不會有爆裂音；如果脈沖的升起時間超過50ms，就表示其頻率小于20Hz，于是耳朵也聽不到爆裂音。要產(chǎn)生人們熟悉的爆裂音，脈沖寬度必須大于50μs，脈沖的升起時間則要小于50ms。由于單端放大器必須立即截止導(dǎo)通才會產(chǎn)生脈沖，因此放大器的電壓上升速率必須超過50ms才能避免爆裂音出現(xiàn)，但這個速度對于大多數(shù)的智慧型手機(jī)應(yīng)用來說實(shí)在太慢了。
使用單端電源供應(yīng)時，輸出直流阻隔電容所儲存的電荷也會造成爆裂音。當(dāng)放大器的輸出改變時，該電壓加上電容器原有電壓會出現(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，提供至負(fù)載的功率也是一項重要考量。若使用單電源的單端放大器，喇叭的一端就會透過輸出電容連接至放大器的輸出端，另一端則會接地，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)下面這個公式，可以計算放大器送至負(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。
今日的行動電話和可攜式通訊裝置都使用同樣類型的音訊放大器架構(gòu)：單端輸入和橋式負(fù)載輸出(圖二)。橋式負(fù)載放大器是由兩個單端放大器組成，分別推動負(fù)載的一端，第一個放大器（A）會決定增益值，第二個放大器（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，放大器的增益值會加倍。傳送至負(fù)載的功率是這種差動式驅(qū)動電路設(shè)計的主要優(yōu)點(diǎn)之一，利用差動方式來推動喇叭，那么每當(dāng)一端的電壓下降時，另一端的電壓就會上升，反之亦然；相較于負(fù)載一端接地的方式，差動設(shè)計的特性實(shí)際上會讓負(fù)載的電壓擺幅加倍。由于負(fù)載兩端的電壓擺幅會加倍，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，輸出功率也會增加四倍。
旁路電容（CBYPASS）是另一項需要考慮的因素，該電容是電路中最重要的元件，因為它會承擔(dān)多項重要功能。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形成一個RC時間常數(shù)，而如前所述，只要這個時間常數(shù)大于50ms，使用者就不會聽到爆裂音。
旁路電容的第二個功能是減少電源供應(yīng)所產(chǎn)生的雜訊，這個雜訊是由耦合進(jìn)來的輸出驅(qū)動訊號所產(chǎn)生，該訊號則來自于放大器內(nèi)部的電源中點(diǎn)電壓產(chǎn)生電路。這個雜訊會造成電源供應(yīng)拒斥比的下降，例如在電源供應(yīng)充滿了雜訊的系統(tǒng)中，它會影響系統(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，因為喇叭兩端的VDD/2偏壓就能將直流偏壓抵消。現(xiàn)在，低頻效能只會受到輸入電路和喇叭響應(yīng)能力的限制。
然而這類電路也有明顯缺點(diǎn)，例如雜訊耦合至單端輸入后，就會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并沒有回授至輸入端，耦合至輸出端的任何高頻雜訊也會造成喀嚓聲和嗡聲，這種效果稱為射頻整流。
(圖二) 單端輸入和橋式負(fù)載輸出架構(gòu)
 全差動式放大器
許多行動電話、PDA、智慧型手機(jī)和新型無線裝置現(xiàn)已採用一種新型的音訊功率放大器架構(gòu)，它是如(圖三)所示的全差動式音訊放大器。全差動式放大器的增益值定義如下  (公式八)
全差動式放大器採用差動輸入和差動輸出。這些功率放大器包含差動和共模回授電路，差動回授確保放大器提供差動電壓輸出，其值等于差動輸入乘上增益值。回授電路則是由外部增益值設(shè)定電阻來擔(dān)任。
共模回授確保無論輸入端的共模電壓為何，輸出端的共模電壓都會偏壓至VDD/2。這個回授電路已內(nèi)建至元件中，它會利用分壓器和電容來產(chǎn)生穩(wěn)定的電源中點(diǎn)電壓；輸出電壓會被偏壓至VDD/2，確保一個輸出不會在另一個輸出之前被截波。
凡是橋式負(fù)載放大器勝過單端放大器的優(yōu)點(diǎn)，全差動式放大器也都具備，但它另有三項重要優(yōu)勢勝過典型的橋式負(fù)載放大器。首先，它不再需要輸入耦合電容，因為使用全差動式放大器后，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，因為中點(diǎn)電壓的任何改變都會等量影響正通道和負(fù)通道，并且在差動輸出端相互抵消。拿掉旁路電容會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)計人員或許仍愿接受這個略為降低的電源拒斥比。全差動式放大器的最后一項主要優(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，并且採用全差動式架構(gòu)。
要得知負(fù)載輸出功率，我們可以使用類似于橋式負(fù)載放大器的計算方式，因為它也是全差動式放大器。記住當(dāng)喇叭一端的電壓下降時，另一端就會上升，反之亦然；同樣的，相較于負(fù)載一端接地的方式，這種設(shè)計會讓負(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) 全差動式音訊放大器
電壓供應(yīng)的變動通常會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，其輸出電壓可計算如下：
 (公式十)
例如若電源供應(yīng)電壓改變500mV，差動輸出電壓的變化值就等于22μV。
在TDMA和GSM行動電話中，電壓供應(yīng)雜訊的主要來源是射頻電路在導(dǎo)通和截止之間的切換動作。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，它會從電源供應(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，因此分別測試三顆全差動式音訊功率放大器，它們是3.1W的AB類放大器、1.25W的AB類放大器以及2.5W的D類放大器，前兩者的測試結(jié)果顯示，由于全差動式放大器的電源拒斥比很高，供應(yīng)電壓的變動幾乎不會對輸出訊號造成任何影響，因此它不會在喇叭造成217Hz的諧波喀嚓聲。
對于耦合至單端放大器輸入端的雜訊，主要問題是它會被放大，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輸入訊號濾波之外，這類放大器幾乎沒有任何的雜訊抵抗能力。
相形之下，全差動式放大器卻有非常良好的雜訊拒斥能力，這種放大器只會放大兩個輸入端之間的訊號差異部份，因此耦合至差動輸入端的任何共模干擾訊號在實(shí)際上都會被放大器所忽略。瞭解這個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的全差動式AB類放大器為例，可說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，差動放大器的輸出端會出現(xiàn)20μV的漣波，但對于單端輸入放大器，結(jié)果卻是100mV再乘上放大器的閉迴路增益。
採用橋式負(fù)載輸出電路時，喇叭最常出現(xiàn)的雜訊是射頻功率放大器在217Hz速率下的開關(guān)動作，通常這些開關(guān)動作聽起來像是喀嚓聲或嗡嗡聲。要瞭解橋式負(fù)載放大器為什么無法抵抗耦合至其輸出端的雜訊，請參考(圖四)。
在導(dǎo)通狀態(tài)下，射頻功率放大器會送資料到基地臺。在實(shí)驗室里，測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，這個雜訊看起來像是被方波閘控的射頻訊號，示波器上的實(shí)際波形則如圖四所示。
觀察整個頻寬（>20MHz）即可發(fā)現(xiàn)放大器的每個輸出端都會拾取該雜訊，但它們并不會產(chǎn)生任何效果，因為喇叭無法再生如此高頻的訊號。但另一方面，若觀察橋式負(fù)載架構(gòu)小于20MHz的頻寬部份，卻會發(fā)現(xiàn)反相隨耦器（橋式負(fù)載放大器）試圖對GHz訊號做出響應(yīng)，這會導(dǎo)致其輸出端電壓（OUT－）以閘控方波訊號的速率（GSM為217Hz）隨著下降，使得喇叭出現(xiàn)喀嚓聲或是嗡嗡聲。
在量測過程中，雜訊會耦合至輸出端，而不是輸入端；若它是帶限訊號，OUT＋會保持相對穩(wěn)定，因為它的IN－輸入端并未耦合雜訊。OUT－會有很大的漣波，因為OUT＋是OUT－的輸入。從OUT＋到OUT－的反相放大器也試圖對閘控射頻波形做出響應(yīng)，但它只會對低頻部份做出響應(yīng)。若雜訊也耦合至輸入端，則由于共模拒斥比很低，OUT＋的雜訊會增加許多。
與典型橋式負(fù)載放大器相同的雜訊也會耦合至全差動式放大器的輸出端。當(dāng)頻寬受到限制時，由于它會差動回授至輸入端，所以不會有任何雜訊出現(xiàn)。若雜訊耦合至輸入端，全差動式放大器會以其共模拒斥比來消除雜訊，因此相較于典型的橋式負(fù)載放大器，全差動式放大器對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
結(jié)論
音訊功率放大器很容易從可攜式無線通訊裝置所處的嚴(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限制，若雜訊耦合至這類放大器的輸入端、輸出端或電源，就會造成喀嚓聲和嗡嗡聲。相較之下，全差動式放大器在這類環(huán)境的表現(xiàn)卻較為杰出，這要?dú)w功于它的全差動式回授架構(gòu)以及抵消射頻整流效應(yīng)的能力，使它得以將行動電話的雜音減至最少。
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