放大器如何决定音讯保真度
时间：2020-06-16 08:30:02
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[导读]高带宽因特网联机、深度学习算法及高质量音频的完美结合，为用户接口带来全新典范，那就是语音。透过自然语言与家电及云端服务进行互动的能力，是人机互动方式的巨大变革。
目前的数字助理看来像是达到现今技
高带宽因特网联机、深度学习算法及高质量音频的完美结合，为用户接口带来全新典范，那就是语音。透过自然语言与家电及云端服务进行互动的能力，是人机互动方式的巨大变革。
目前的数字助理看来像是达到现今技术的巅峰，但实际上只是新世代用户接口的起点。语音识别是一项已存在多年的技术，例如现在已有许多软件c9200446619921FFCa4b252220c1fe2a可将语音转换为文字。不同之处在于软件解译文字的方式。目前为止，软件只是单纯转播文字到屏幕上，但最近机器似乎能理解意图及词汇。这种人工智能技术将在未来几年内普及，这代表能更容易取得技术，并整合至日常用品中。
制造商未来将面临的挑战，是如何为更小的电子装置加入高水平的音频质量。穿戴式技术的趋势是与 AI 及自然语言接口同步发展，因此结合两者需要更高的整合度以维持保真度。
音讯保真度
音讯保真度的关键部分在于放大器的选择。大多数放大器的性质为线性，包括 A 类、B 类或AB 类 (请参阅图 1 以比较三者)。虽然所有线性放大器都能以最小噪声提供良好的增益，但由于接收器 (人耳) 非常善于分辨两者的差异，因此讯噪比 (SNR) 在音讯应用中变得更为重要。上述各类放大器在功耗与效能方面各有优缺点，因此需要不同的偏压类别。
图 1a：A 类放大器
图 1b：B 类放大器
图 1c：AB 类放大器
在目前新出现的应用中，音频清晰度与功耗方面的效率都非常重要。所有线性放大器都有一定程度的偏压，以提供良好的线性度，但电源效率较差。例如，A 类放大器使用偏压单晶体管，即使输入讯号为零也会导通。B 类放大器使用两个晶体管，每半个周期一个晶体管，因此理论上，任何时间皆只有一个晶体管导通。如此可提升电源效率，但通常会造成交越失真。而 AB 类放大器藉由稍微改变偏压，降低交越失真。尽管 AB 类在大多数情况下是理想的折衷方案，但仍仅提供约 80% 的效率，对于某些电池供电及携带式应用而言，可能还是不够理想。
D 类放大器与正规放大器拓扑有极大的差异，其并非线性放大输入，而是将讯号数字化，转换为脉波宽度调变(PWM) 方波以呈现输入讯号。上述「全开/全关」的方法可提供 90% 以上的高效率，但仍需过滤输出以恢复讯号的模拟成分，这可能会带来额外的设计困难。尽管如此，由于具备多项设计特点， PAM8014免滤波 D 类放大器仍在其领域展现长远的进步。其提供 3.2 W 单声道输出功率及超过 90%的效率，具有高电源供应抑制比与差分设计，可大幅降低噪声与RF 反射的影响。
制作更好的 D 类放大器
D 类拓扑通常利用比较器来实现，将输入讯号与参考讯号进行比较，建立实际的 1-bit ADC；如图 2 所示，当输入讯号大于参考讯号时，比较器的输出为高，当输入低于参考时，输出讯号为低。
图 2：D 类放大器利用比较器将模拟讯号转换为一系列脉冲，建立 PWM 输出，通常须经由低通滤波器才能恢复模拟讯号
输出被馈送至由两个或四个切换 FET 组成的切换级。双 FET 输出级通常由互补 FET (PNP 与NPN) 组成，并做为半桥运作。此设计的缺点是即使输出不变，电流也会通过负载，因为输出偏压为 VDD/2。使用全桥输出级可克服上述问题，全桥实作使用四个由两个半桥级组成的FET。如此可在输出电流中产生双向摆动，称为桥接式负载 (BTL)。尽管此种设计使用两倍数量的 FET，其亦提供显著的优势，特别是因为将偏移套用至负载的两端，从而消除与半桥设计的高静态电流相关的损耗。图 3 显示 PAM8014 D 类放大器的区块图，采用全桥 BTL 设计。
图 3：PAM8014 以全桥 BTL 拓扑为基础，以极小型封装提供优异的效能
将 BTL 拓扑整合至 D 类放大器中需要经过谨慎设计，以在单一整合封装中达到有效的输出功率水平。在采用更先进扬声器技术的音讯应用中，这并不是问题，实际上更为携带式及电池供电装置开创许多新的潜在应用。
无通滤波器
如果 D 类放大器仍需要输出级通过一个大型且成本可能很高的低通滤波器，则可能会失去上述系统层级的优势。建构低通滤波器所需的独立被动组件 (例如大到足以处理输出功率的电感器)，很可能会占用比放大器本身更多的 PCB 空间，并大幅增加成本。
移除 PWM 输出中的高频时，通常需要低通滤波器，是许多应用中不可或缺的部分。低通滤波器所需的额外 PCB 空间与成本可能导致某些应用无法使用 D 类放大器，但实际上这在音讯应用中可能会带来正面作用。
扬声器实际上由线圈组成，线圈本质上是具有串联电阻的电感器，这两个组件是实现低通滤波器的关键。实际上，扬声器的内建电感器可透过此方式加以利用，然而 BTL 输出级的设计必须支持无滤波器的设计。这一点很重要，因为若非如此，可能会使电流持续流过扬声器，这可能导致使用寿命缩短。另外，如果输出有所偏压，可能会限制扬声器的动态范围。PAM8014 D 类放大器的 BTL 输出级设计用于无滤波器运作，因此可避免所有上述缺陷，同时可为音讯应用带来 D 类运作的优势。
虽然人耳是天然的高频滤波器，但也容易接收到各种形式的噪声。因此优良的 D 类放大器将实作内部反馈，以提供最佳的总谐波失真 + 噪声 (THD + N) 数值；在此情况下，PAM8014 通常在输出功率 0.5 W @ 1 kHz 时提供 0.14%。
PAM8014 的其他进阶功能还包括关断模式，最多可将供电电流降至 1 µA。PAM8014 也整合了专用电路，可在开启与关闭时或从关断模式退出时，大幅减少瞬态可能产生的「啪啪声与咔嚓声」。特殊模式可使内部放大器静音，直到参考电压稳定为止，藉此达到上述功效；一旦稳定之后，即恢复完全运作模式。其他功能还包括：欠压锁定 (UVLO)，如果供电压低于 2.0 V，将使 PAM8014 进入关断模式；短路保护 (SCP)，如果输出端相互短路或接地，此功能可保护装置；过热保护 (OTP)，如果晶粒温度超过 150°C，将使装置进入关断模式。
PAM8014 采用 U-WLB1313-9 晶圆级 BGA 封装 (参阅图 4)，每一边尺寸皆小于 1.3 mm，即使是最小的装置也适用。
图 4：PAM8014 采用晶圆级 BGA 封装，每一边尺寸皆小于 1.3 mm
PAM8014 的固定增益为 18 dB，效率高达 93%，仅需最少的外部组件，如图 5 所示。
图 5：PAM8014 仅需极少的外部组件，非常适合空间有限及超低功耗的应用
上述先进功能让 PAM8014 非常适用于各种应用，包括智能型手机、VOIP、MP4/MP3 播放器，当然还有数字助理。
目前的数字助理看来像是达到现今技术的巅峰，但实际上只是新世代用户接口的起点。语音识别是一项已存在多年的技术，例如现在已有许多软件c9200446619921FFCa4b252220c1fe2a可将语音转换为文字。不同之处在于软件解译文字的方式。目前为止，软件只是单纯转播文字到屏幕上，但最近机器似乎能理解意图及词汇。这种人工智能技术将在未来几年内普及，这代表能更容易取得技术，并整合至日常用品中。
制造商未来将面临的挑战，是如何为更小的电子装置加入高水平的音频质量。穿戴式技术的趋势是与 AI 及自然语言接口同步发展，因此结合两者需要更高的整合度以维持保真度。
音讯保真度
音讯保真度的关键部分在于放大器的选择。大多数放大器的性质为线性，包括 A 类、B 类或AB 类 (请参阅图 1 以比较三者)。虽然所有线性放大器都能以最小噪声提供良好的增益，但由于接收器 (人耳) 非常善于分辨两者的差异，因此讯噪比 (SNR) 在音讯应用中变得更为重要。上述各类放大器在功耗与效能方面各有优缺点，因此需要不同的偏压类别。
图 1a：A 类放大器
图 1b：B 类放大器
图 1c：AB 类放大器
在目前新出现的应用中，音频清晰度与功耗方面的效率都非常重要。所有线性放大器都有一定程度的偏压，以提供良好的线性度，但电源效率较差。例如，A 类放大器使用偏压单晶体管，即使输入讯号为零也会导通。B 类放大器使用两个晶体管，每半个周期一个晶体管，因此理论上，任何时间皆只有一个晶体管导通。如此可提升电源效率，但通常会造成交越失真。而 AB 类放大器藉由稍微改变偏压，降低交越失真。尽管 AB 类在大多数情况下是理想的折衷方案，但仍仅提供约 80% 的效率，对于某些电池供电及携带式应用而言，可能还是不够理想。
D 类放大器与正规放大器拓扑有极大的差异，其并非线性放大输入，而是将讯号数字化，转换为脉波宽度调变(PWM) 方波以呈现输入讯号。上述「全开/全关」的方法可提供 90% 以上的高效率，但仍需过滤输出以恢复讯号的模拟成分，这可能会带来额外的设计困难。尽管如此，由于具备多项设计特点， PAM8014免滤波 D 类放大器仍在其领域展现长远的进步。其提供 3.2 W 单声道输出功率及超过 90%的效率，具有高电源供应抑制比与差分设计，可大幅降低噪声与RF 反射的影响。
制作更好的 D 类放大器
D 类拓扑通常利用比较器来实现，将输入讯号与参考讯号进行比较，建立实际的 1-bit ADC；如图 2 所示，当输入讯号大于参考讯号时，比较器的输出为高，当输入低于参考时，输出讯号为低。
图 2：D 类放大器利用比较器将模拟讯号转换为一系列脉冲，建立 PWM 输出，通常须经由低通滤波器才能恢复模拟讯号
输出被馈送至由两个或四个切换 FET 组成的切换级。双 FET 输出级通常由互补 FET (PNP 与NPN) 组成，并做为半桥运作。此设计的缺点是即使输出不变，电流也会通过负载，因为输出偏压为 VDD/2。使用全桥输出级可克服上述问题，全桥实作使用四个由两个半桥级组成的FET。如此可在输出电流中产生双向摆动，称为桥接式负载 (BTL)。尽管此种设计使用两倍数量的 FET，其亦提供显著的优势，特别是因为将偏移套用至负载的两端，从而消除与半桥设计的高静态电流相关的损耗。图 3 显示 PAM8014 D 类放大器的区块图，采用全桥 BTL 设计。
图 3：PAM8014 以全桥 BTL 拓扑为基础，以极小型封装提供优异的效能
将 BTL 拓扑整合至 D 类放大器中需要经过谨慎设计，以在单一整合封装中达到有效的输出功率水平。在采用更先进扬声器技术的音讯应用中，这并不是问题，实际上更为携带式及电池供电装置开创许多新的潜在应用。
无通滤波器
如果 D 类放大器仍需要输出级通过一个大型且成本可能很高的低通滤波器，则可能会失去上述系统层级的优势。建构低通滤波器所需的独立被动组件 (例如大到足以处理输出功率的电感器)，很可能会占用比放大器本身更多的 PCB 空间，并大幅增加成本。
移除 PWM 输出中的高频时，通常需要低通滤波器，是许多应用中不可或缺的部分。低通滤波器所需的额外 PCB 空间与成本可能导致某些应用无法使用 D 类放大器，但实际上这在音讯应用中可能会带来正面作用。
扬声器实际上由线圈组成，线圈本质上是具有串联电阻的电感器，这两个组件是实现低通滤波器的关键。实际上，扬声器的内建电感器可透过此方式加以利用，然而 BTL 输出级的设计必须支持无滤波器的设计。这一点很重要，因为若非如此，可能会使电流持续流过扬声器，这可能导致使用寿命缩短。另外，如果输出有所偏压，可能会限制扬声器的动态范围。PAM8014 D 类放大器的 BTL 输出级设计用于无滤波器运作，因此可避免所有上述缺陷，同时可为音讯应用带来 D 类运作的优势。
虽然人耳是天然的高频滤波器，但也容易接收到各种形式的噪声。因此优良的 D 类放大器将实作内部反馈，以提供最佳的总谐波失真 + 噪声 (THD + N) 数值；在此情况下，PAM8014 通常在输出功率 0.5 W @ 1 kHz 时提供 0.14%。
PAM8014 的其他进阶功能还包括关断模式，最多可将供电电流降至 1 µA。PAM8014 也整合了专用电路，可在开启与关闭时或从关断模式退出时，大幅减少瞬态可能产生的「啪啪声与咔嚓声」。特殊模式可使内部放大器静音，直到参考电压稳定为止，藉此达到上述功效；一旦稳定之后，即恢复完全运作模式。其他功能还包括：欠压锁定 (UVLO)，如果供电压低于 2.0 V，将使 PAM8014 进入关断模式；短路保护 (SCP)，如果输出端相互短路或接地，此功能可保护装置；过热保护 (OTP)，如果晶粒温度超过 150°C，将使装置进入关断模式。
PAM8014 采用 U-WLB1313-9 晶圆级 BGA 封装 (参阅图 4)，每一边尺寸皆小于 1.3 mm，即使是最小的装置也适用。
图 4：PAM8014 采用晶圆级 BGA 封装，每一边尺寸皆小于 1.3 mm
PAM8014 的固定增益为 18 dB，效率高达 93%，仅需最少的外部组件，如图 5 所示。
图 5：PAM8014 仅需极少的外部组件，非常适合空间有限及超低功耗的应用
上述先进功能让 PAM8014 非常适用于各种应用，包括智能型手机、VOIP、MP4/MP3 播放器，当然还有数字助理。
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