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高效率耳機設計

發(fā)布時間:2010-02-12

中心議題:
  • AB類放大器
  • H類放大器
在最近幾年中,D類放大器因其體積小、效率高,已經(jīng)進入了消費類音頻電子產(chǎn)品、汽車以及便攜式音頻產(chǎn)品市場。它的效率幫助減小了汽車放大器以及便攜式媒體擴展插槽的尺寸,并以較小的波形因子提供了更大的功率,有助實現(xiàn)新式的消費類音頻設備。
  
但是,這種新技術也帶來了一種幻覺。同所有其他的工程討論一樣,效率的增加和波形因子的減小之間存在著折中。增加的失真和電磁干擾(EMI)是在追求D類放大器所能夠?qū)崿F(xiàn)90%~95%的效率過程中所必須克服的障礙。
  
AB類放大器
  
傳統(tǒng)的AB類放大器是一種非開關放大器,它在過去的許多年中經(jīng)過了許多改進,以便提供高保真音響愛好者們所期待的音頻性能。與帶有無法消除死區(qū)時間的D類放大器相比,非開關放大器的線性度是非常好的。死區(qū)時間被定義為開關放大器不向負載或揚聲器提供電壓的“關閉”時間,這樣做的目的是防止供電電源與輸出設備之間形成短路。這段關閉時間就是這些放大器被認定為非線性放大器的根本原因。
  
與開關放大器相比,降低非開關放大器的死區(qū)時間要簡單得多,因此人們認為非開關放大器的音頻性能更好一些。此外,開關放大器的總體基底噪聲會被輸出信號中未經(jīng)過濾的部分所惡化。AB類放大器的缺點在于它的最大理論效率大約為78%。這個效率有點容易導致誤解,因為非開關放大器的最高效率只有在未經(jīng)限幅之前放大器達到最大輸出時才能夠?qū)崿F(xiàn)。因此,AB類放大器正好在放大器限幅之前達到最高效率,而在現(xiàn)實中,放大器無法始終工作在這個區(qū)域。對于一般應用,大多數(shù)AB類放大器工作在20%~30%的區(qū)域。

 圖1 H類放大器功率軌調(diào)整的圖形表示
  
因此,如果工程就是為了實現(xiàn)折衷的話,那么一定存在某種中間立場。放大器應該能夠在不損害性能的情況下將系統(tǒng)的工作效率最大化。
  
實現(xiàn)上述想法的一種方法是根據(jù)音頻輸出的輪廓對AB類放大器的供電軌進行調(diào)制。這樣做,工作效率在20%~30%的AB類放大器能夠?qū)嶋H工作效率提高到45%~55%左右,這種產(chǎn)品被稱為H類放大器。
  
H類放大器

  
H類結構所提供的效率要低于D類,但是它為系統(tǒng)設計人員提供了性能的顯著提高。這種放大器實際上是AB類設計,死區(qū)時間極短,因此失真程度要遠低于D類放大器。在考慮其最終應用時,上述特性非常重要。
  
AB類放大器主宰耳機放大器市場的原因是它們提供了最好的性能。這一點之所以重要,是因為D類耳機放大器,特別是消費類電子產(chǎn)品中常用的無濾波器拓撲結構,能夠產(chǎn)生一種最終用戶很容易就能聽到的音頻基底噪聲。
  
通過增加H類控制器,系統(tǒng)設計人員能夠在提高效率的同時不損害聲音的品質(zhì)(較低基底噪聲和較好的線性度),這正是當今的消費者所希望得到的。耳機應用中非開關放大器的另一項優(yōu)勢是它們抗電磁干擾的性能要優(yōu)于D類放大器。
  
耳機線將充當天線,該天線能夠?qū)⒏哳l開關噪聲輻射到系統(tǒng)環(huán)境中。系統(tǒng)設計人員必須使用外部濾波器和/或屏蔽體來減弱這些噪聲,而這些手段會增加電路板尺寸和BOM成本。非開關放大器,如H類放大器,幾乎能夠完全消除這種電磁干擾問題,而且總體的BOM成本要更低一些。
  
無論如何,最終都歸結到折中。如果系統(tǒng)設計人員必須驅(qū)動很高的功率輸出,首要考慮因素是功率輸出的最大化,而性能是次要考慮因素,那么他們應該考慮D類放大器。相反,如果他們首要關注的是音頻性能而非效率,那么他們應該更多地考慮H類設計的優(yōu)勢。
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