浅谈全差动式音讯放大器技术

本文将为读者分析单端、典型桥接负载和全差动式音讯放大器，同时探讨杂讯对于电源供应和射频整流的影响。

行动电话、PDA和其它可携式通讯设备常处于严苛吵杂的环境，这个现象促使许多厂商开始发展新的音讯功率放大器，它们都採用射频、共模和电源供应拒斥比良好的全差动式架构。本文将深入分析单端、典型桥接负载和全差动式音讯放大器，同时探讨杂讯对于电源供应和射频整流的影响。

这个产业所使用的音讯功率放大器架构可分成三大类：单端、典型桥接负载和全差动式放大器。单端音讯功率放大器通常是所有架构中最简单的一种，但行动电话却较少利用它们为和弦铃声或免持听筒模式等应用推动喇叭；一般说来，单端放大器是用来推动耳机，让使用者得以聆听MP3音乐或游戏音效，如(图一)。

在典型的单电源、单端电路设计中，放大器的输出端需要耦合电容来隔离直流偏压，避免直流电流进入负载。然而输出耦合电容和负载阻抗却会形成高通滤波器，其频率由以下的方程式所决定：

(公式一)

　

(图一)　单端放大器

　

就效能观点而言，此设计的主要缺点在于负载阻抗通常很小，此处是介于4Ω和8Ω喇叭之间，这将使得低频角频率（FC）变得更高。要让低频讯号进入喇叭，COUT就必须使用很大的电容，例如在喇叭阻抗为8Ω的情形下，如果COUT的电容值为68μF，那么频率小于292Hz的任何讯号都会被衰减。

想要免除单端放大器的输出电容（COUT），就需要使用分离式电源供应，但这种解决方案并不适合无线环境，因为手机设计人员必需增加一个直流转换器来提供负电源，使得解决方案的成本和体积都会增加。除此之外，单端放大器在导通、截止、进入关机模式和脱离关机模式时都很容易产生爆裂音，这些不必要杂讯的产生是因为喇叭两端出现电压变动（电压脉冲），它与此电压脉冲的上升时间、下降时间和宽度有关。

多数人只能听到20Hz至20kHz之间的声音，因此当脉冲宽度小于50μs时，耳朵就不会对它有任何反应，因为此时频率将会高于20kHz，所以不会有爆裂音；如果脉冲的升起时间超过50ms，就表示其频率小于20Hz，于是耳朵也听不到爆裂音。要产生人们熟悉的爆裂音，脉冲宽度必须大于50μs，脉冲的升起时间则要小于50ms。由于单端放大器必须立即截止导通才会产生脉冲，因此放大器的电压上升速率必须超过50ms才能避免爆裂音出现，但这个速度对于大多数的智慧型手机应用来说实在太慢了。

使用单端电源供应时，输出直流阻隔电容所储存的电荷也会造成爆裂音。当放大器的输出改变时，该电压加上电容器原有电压会出现在喇叭两端，使其发出所谓的爆裂音。

最后，在讨论音讯放大器时，提供至负载的功率也是一项重要考量。若使用单电源的单端放大器，喇叭的一端就会透过输出电容连接至放大器的输出端，另一端则会接地，于是喇叭两端的电压就只能在VDD和地电位之间改变。根据下面这个公式，可以计算放大器送至负载的功率值：

(公式二)

峰至峰输出电压的最大值则是电源供应电压。假设输出为正弦波，那么均方根值输出电压的最大值就是：

(公式三)

理论上的最大输出功率则为：

(公式四)

后面文中将证明在同样的电源供应和负载阻抗条件下，桥式负载和全差动式放大器的输出功率可以达到单端放大器的四倍。

今日的行动电话和可携式通讯装置都使用同样类型的音讯放大器架构：单端输入和桥式负载输出(图二)。桥式负载放大器是由两个单端放大器组成，分别推动负载的一端，第一个放大器（A）会决定增益值，第二个放大器（B）则是做为单位增益反相器。这种桥式负载放大器的增益是由下式定义：

(公式五)

受到单位增益反相放大器（B）的影响，放大器的增益值会加倍。传送至负载的功率是这种差动式驱动电路设计的主要优点之一，利用差动方式来推动喇叭，那么每当一端的电压下降时，另一端的电压就会上升，反之亦然；相较于负载一端接地的方式，差动设计的特性实际上会让负载的电压摆幅加倍。由于负载两端的电压摆幅会加倍，因此输出功率方程式就变成：

(公式六)

于是桥式负载在理论上的最大输出功率就变成：

(公式七)

相较于使用单电源的单端音讯功率放大器，喇叭两端电压加倍后，就算电源电压和负载阻抗都保持相同，输出功率也会增加四倍。
旁路电容（CBYPASS）是另一项需要考虑的因素，该电容是电路中最重要的元件，因为它会承担多项重要功能。首先，放大器的电压上升速率就是由旁路电容决定，若放大器的电压上升速率缓慢，爆裂音的产生就会减少。旁路电容和负责产生电源中点电压的高阻抗电阻分压器电路会形成一个RC时间常数，而如前所述，只要这个时间常数大于50ms，使用者就不会听到爆裂音。

旁路电容的第二个功能是减少电源供应所产生的杂讯，这个杂讯是由耦合进来的输出驱动讯号所产生，该讯号则来自于放大器内部的电源中点电压产生电路。这个杂讯会造成电源供应拒斥比的下降，例如在电源供应充满了杂讯的系统中，它会影响系统的总谐波失真与杂讯值（THD＋N）。

相较于单端音讯放大器，这类架构的优点是它在相同电源供应下所能提供的输出功率；除此之外，它也不再需要输出直流阻隔电容，因为喇叭两端的VDD/2偏压就能将直流偏压抵消。现在，低频效能只会受到输入电路和喇叭响应能力的限制。

然而这类电路也有明显缺点，例如杂讯耦合至单端输入后，就会被放大器放大并出现在输出端，其倍数相当于放大器的增益值。由于放大器B并没有回授至输入端，耦合至输出端的任何高频杂讯也会造成喀嚓声和嗡声，这种效果称为射频整流。
　

(图二)　单端输入和桥式负载输出架构
　

全差动式放大器
许多行动电话、PDA、智慧型手机和新型无线装置现已採用一种新型的音讯功率放大器架构，它是如(图三)所示的全差动式音讯放大器。全差动式放大器的增益值定义如下

(公式八)

全差动式放大器採用差动输入和差动输出。这些功率放大器包含差动和共模回授电路，差动回授确保放大器提供差动电压输出，其值等于差动输入乘上增益值。回授电路则是由外部增益值设定电阻来担任。

共模回授确保无论输入端的共模电压为何，输出端的共模电压都会偏压至VDD/2。这个回授电路已内建至元件中，它会利用分压器和电容来产生稳定的电源中点电压；输出电压会被偏压至VDD/2，确保一个输出不会在另一个输出之前被截波。

凡是桥式负载放大器胜过单端放大器的优点，全差动式放大器也都具备，但它另有三项重要优势胜过典型的桥式负载放大器。首先，它不再需要输入耦合电容，因为使用全差动式放大器后，输入端就能偏压至电源中点以外的其它电压，所使用的放大器则须拥有良好的共模拒斥比（CMRR）。但若输入偏压超出了输入共模范围，就应该使用输入耦合电容。

其次，中点电压的供应电源也不再需要旁路电容CBYPASS，因为中点电压的任何改变都会等量影响正通道和负通道，并且在差动输出端相互抵消。拿掉旁路电容会使得电源拒斥比稍为下降，但由于它能省下一颗外部零件，设计人员或许仍愿接受这个略为降低的电源拒斥比。全差动式放大器的最后一项主要优点是它提供更强大的射频杂讯抵抗能力，这主要归功于它拥有很高的共模拒斥比，并且採用全差动式架构。

要得知负载输出功率，我们可以使用类似于桥式负载放大器的计算方式，因为它也是全差动式放大器。记住当喇叭一端的电压下降时，另一端就会上升，反之亦然；同样的，相较于负载一端接地的方式，这种设计会让负载的电压摆幅加倍。桥式负载在理论上的最大输出功率为：

(公式九)

和桥式负载放大器的情形一样，在同样的电源电压和负载阻抗下，喇叭两端电压加倍会使得输出功率增加四倍。相较于前面介绍的各种放大器，这种架构的最大优点在于它的抗杂讯能力。
音讯功率放大器的三大杂讯来源是：

●电源供应杂讯
●输入端耦合杂讯
●输出端耦合杂讯
　

(图三)　全差动式音讯放大器

　

电压供应的变动通常会在放大器输出端造成很小的误差电压，电源供应拒斥比就是放大器抵抗这些效应的能力，它通常是以分贝值来表示。根据标准的电源供应拒斥比方程式，其输出电压可计算如下：

(公式十)

例如若电源供应电压改变500mV，差动输出电压的变化值就等于22μV。

在TDMA和GSM行动电话中，电压供应杂讯的主要来源是射频电路在导通和截止之间的切换动作。GSM手机是以217Hz的速率进行切换，当射频功率放大器导通时，它会从电源供应汲取很大的电流，这将使得电源供应的电压突降，其幅度最高可达500mV。电源拒斥比很差的音讯放大器会在喇叭造成高于217Hz的谐波喀嚓杂讯。

为了瞭解在217Hz切换速率下，电源供应电压下降500mV所可能造成冲击，因此分别测试三颗全差动式音讯功率放大器，它们是3.1W的AB类放大器、1.25W的AB类放大器以及2.5W的D类放大器，前两者的测试结果显示，由于全差动式放大器的电源拒斥比很高，供应电压的变动几乎不会对输出讯号造成任何影响，因此它不会在喇叭造成217Hz的谐波喀嚓声。

对于耦合至单端放大器输入端的杂讯，主要问题是它会被放大，其倍数等于放大器的闭迴路增益，然后出现在放大器的输出端。除了在放大器前端对输入讯号滤波之外，这类放大器几乎没有任何的杂讯抵抗能力。

相形之下，全差动式放大器却有非常良好的杂讯拒斥能力，这种放大器只会放大两个输入端之间的讯号差异部份，因此耦合至差动输入端的任何共模干扰讯号在实际上都会被放大器所忽略。瞭解这个输入耦合杂讯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的全差动式AB类放大器为例，可说明共模拒斥比如何影响放大器的交流杂讯抵抗能力。首先，根据前述共模拒斥比方程式即可得到输出电压如下：

(公式十二)

在20Hz至20kHz范围内的共模拒斥比为－74dB，增益则为1V/V。假设耦合至输入端的共模杂讯在每个输入接脚都是100mV，那么利用上式即可得到转移至输出端的杂讯值如下：

(公式十三)

根据此方程式，差动放大器的输出端会出现20μV的涟波，但对于单端输入放大器，结果却是100mV再乘上放大器的闭迴路增益。
採用桥式负载输出电路时，喇叭最常出现的杂讯是射频功率放大器在217Hz速率下的开关动作，通常这些开关动作听起来像是喀嚓声或嗡嗡声。要瞭解桥式负载放大器为什么无法抵抗耦合至其输出端的杂讯，请参考(图四)。

在导通状态下，射频功率放大器会送资料到基地台。在实验室里，测试人员在距离音讯放大器10公分的地方放置一部GSM手机，然后观察音讯放大器输出端所拾取的讯号，这个杂讯看起来像是被方波闸控的射频讯号，示波器上的实际波形则如图四所示。

观察整个频宽（>20MHz）即可发现放大器的每个输出端都会拾取该杂讯，但它们并不会产生任何效果，因为喇叭无法再生如此高频的讯号。但另一方面，若观察桥式负载架构小于20MHz的频宽部份，却会发现反相随耦器（桥式负载放大器）试图对GHz讯号做出响应，这会导致其输出端电压（OUT－）以闸控方波讯号的速率（GSM为217Hz）随着下降，使得喇叭出现喀嚓声或是嗡嗡声。

在量测过程中，杂讯会耦合至输出端，而不是输入端；若它是带限讯号，OUT＋会保持相对稳定，因为它的IN－输入端并未耦合杂讯。OUT－会有很大的涟波，因为OUT＋是OUT－的输入。从OUT＋到OUT－的反相放大器也试图对闸控射频波形做出响应，但它只会对低频部份做出响应。若杂讯也耦合至输入端，则由于共模拒斥比很低，OUT＋的杂讯会增加许多。

与典型桥式负载放大器相同的杂讯也会耦合至全差动式放大器的输出端。当频宽受到限制时，由于它会差动回授至输入端，所以不会有任何杂讯出现。若杂讯耦合至输入端，全差动式放大器会以其共模拒斥比来消除杂讯，因此相较于典型的桥式负载放大器，全差动式放大器对于射频杂讯显然拥有更良好的抵抗能力。

(图四)　音讯放大器输出端所拾取的讯号
　

结论
音讯功率放大器很容易从可携式无线通讯装置所处的严苛环境中拾取杂讯，典型的桥式负载音讯功率放大器有多项限制，若杂讯耦合至这类放大器的输入端、输出端或电源，就会造成喀嚓声和嗡嗡声。相较之下，全差动式放大器在这类环境的表现却较为杰出，这要归功于它的全差动式回授架构以及抵消射频整流效应的能力，使它得以将行动电话的杂音减至最少。（本文原载于零组件杂志第158期）