音頻是便攜式消費類電子設備不可或缺的一個重要組成部分。集成耳機音頻功率放大器有助于放大低功耗基帶音頻信號，以在使用耳機時驅動清脆、清晰的音頻。另外，這些放大器都需要具有極高的效率，以實現更長時間的電池壽命。為了迎接這種挑戰，廣大設計人員將使用G類音頻放大器拓撲結構。
典型的線性音頻放大器拓撲結構為A類、B類、C類和AB類。雖然這些音頻放大器均為線性；但它們的效率并不是很高。請參見表1和圖1。
表1 線性音頻放大器拓撲結構
圖1 各種放大器拓撲的導電角
效率的定義為輸出功率（向負載提供的功率）與輸入功率（從電池吸取的功率）的比，用百分比表示。更高的效率意味著以熱損耗形式浪費的電池功率更少。為了改善便攜式音頻設備的電池使用壽命，放大器需要更高的效率。
AB類（線性）放大器具有固定的電源軌，消耗固定量的電源電流，以獲得理想的輸出電壓。在橋接式負載(BTL)狀態下，該電源電流等于輸出電流。通過負載的電源電流致使所有輸出MOSFET出現壓降。MOSFET壓降增加的這些電流，在放大器中形成較大的功耗，這就是AB類放大器效率僅為50%的原因。
什么是G類拓樸？
在極高電平條件下，G類拓撲為一種多電源的AB類拓撲變體。G類拓撲充分利用了典型音頻/音樂源都具有極高峰值因數(10-20dB)的這一有利條件。這就意味著峰值音頻信號高于平均音頻信號(RMS)。大多數時候，音頻信號都處在較低的幅值，極少時間會表現出更高的峰值。
新型G類拓撲使用自適應降壓轉換器，以產生隨音頻信號移動的電源電壓。它為大多數平均音頻信號產生有充足余量的低電源電壓，并切換至高電源電壓來適應偶發的峰值電壓。由于電源的自適應特性，高峰值因數的典型音樂/音頻源的功耗得到極大降低。這樣便帶來更低的電池電流消耗，從而獲得比AB類構架更高的效率。
這種電源電壓為自適應型。它在高音量音頻信號時升高，從而防止大峰值電壓失真，同時在小音頻峰值時下降來降低功耗。
G類拓樸工作原理
圖2描述了G類放大器的運行情況，其在低音頻電壓峰值時的電源電壓為1.3V，并在高峰值時自適應升高至1.8V。我們使用一個降壓DC/DC轉換器來產生這些低電源軌（請參見圖 3）。
圖2 G類拓撲自適應移動放大器電源實現節能
圖3 G類耳機放大器結構圖
G類放大器使用自適應電源軌，并利用一個內置降壓轉換器來產生耳機放大器正電源電壓 (HPVDD)。充電泵對HPVDD進行反相，并產生放大器負電源電壓(HPVSS)。這樣便讓耳機放大器輸出可以集中于 0V。音頻信號幅值較低時，降壓轉換器產生一個低 HPVDD 電壓 (HPVDDL)（請參見圖 2）。這樣便在播放低噪聲、高保真音頻的同時最小化了 G 類放大器的功耗。
如果由于高音量音樂或者瞬態峰值音頻幅值增加，則降壓轉換器產生一個高HPVDD電壓 (HPVDDH)。HPVDD 上升速率快于音頻峰值上升時間。這樣便可防止音頻失真或削波。音頻質量和噪聲層不受 HPVDD 的影響。這種自適應 HPVDD 在避免削波和失真的同時最小化了電源電流。由于正常的聽力水平在200mVRMS以下，因此HPVDD最常位于其最低電壓 HPVDDL。所以，相比傳統的AB類耳機放大器，G類放大器擁有更高的效率。
利用G類音頻放大器延長電池使用時間
為了說明通過G類音頻放大器實現的電池使用時間增加情況，我們的計算均基于如下值：
●PBATT：電池功率
●VBATT：電池電源電壓
●IBATT：電池電源電流
●VDD：DC/DC 轉換器輸出電壓
●PDD：DC/DC 轉換器輸出功率
●VOUT：負載電壓
●RL：負載阻抗
●POUT：負載功耗
●IOUT：負載電流
一個標準的AB類放大器中，電源電流等于輸出電流 (IBATT= IOUT)。使用G類（降壓轉換器）時，電源電流（電池）為輸出電流的一部分，其以公式 IBATT= IDD x VDD/VBATT表示。
假設一個放大器，驅動32 Ohm負載的200 mVRMS，則負載輸出電流為：IOUT= VOUT/RL= 200mVRMS/32Ω = 6.25 mA。假定靜態電流為1 mA (IDDQ)，則放大器吸取的總電流為：IBATT= 7.25 mA。
那么，AB類放大器吸取的總功率的計算方法如下（假設為一塊4.2V的鋰離子即Li-Ion電池）：
PBATT(Class-AB)= VBATTx IBATT= 4.2V x 7.25 mA = 30.45 mW
就G類放大器而言，其電壓軌均由一個開關式DC/DC轉換器產生，供給功率取決于 DC/DC 轉換器輸出電壓和效率。假設DC/DC轉換器輸出電壓為1.3V，則計算方程式為：
PDD= VDD*IDD= 1.3v * 7.25mA = 9.425 mW
總供給功率為 DC/DC 轉換器輸出功率除以 DC/DC 轉換器效率。假設降壓效率為90%，則向 G 類放大器提供的總功率為：
PBATT(Class-G) = PDD/90% = 11.09 mW
這時，相同條件下，相 AB類放大器，G類耳機放大器吸取的功率少了約3倍。功耗的降低程度與 VBATT/VDD成正比例關系。在我們的舉例中，其為 (4.2/1.3)*轉換器-效率 = (4.2/1.3)*0.9 = ~3
電池省電情況如圖4所示。這里，我們使用由一塊鋰離子電池供電的完全相同的音頻輸入，對比兩個AB類和G類耳機放大器。正如我們所觀察到的那樣，相比AB類放大器（70 小時），G 類耳機放大器的電池使用時間（150小時）長了2倍多。對使用便攜式音頻設備的終端用戶來說，這就意味著更長的音樂播放時間和通話時間。
圖4 電池放電曲線表明G類放大器比AB類放大器擁有更長的工作時間
總之，G類音頻放大器拓撲是AB類拓撲的一種改版，其擁有自適應電源，可隨音頻源而變化。這種拓撲結構降低了功耗，提高了效率，從而為使用G類放大器拓撲的耳機帶來更長的電池使用時間。 |
