行動電話、PDA和其它可攜式通訊設備常處於嚴苛吵雜的環境，這個現象促使許多廠商開始發展新的音訊功率放大器，它們都採用射頻、共模和電源供應拒斥比良好的全差動式架構。本文將深入分析單端、典型橋接負載和全差動式音訊放大器，同時探討雜訊對於電源供應和射頻整流的影響。

這個產業所使用的音訊功率放大器架構可分成三大類：單端、典型橋接負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中最簡單的一種，但行動電話卻較少利用它們為和弦鈴聲或免持聽筒模式等應用推動喇叭；一般說來，單端放大器是用來推動耳機，讓使用者得以聆聽MP3音樂或遊戲音效，如(圖一)。

《圖一　單端放大器》

在典型的單電源、單端電路設計中，放大器的輸出端需要耦合電容來隔離直流偏壓，避免直流電流進入負載。然而輸出耦合電容和負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》

就效能觀點而言，此設計的主要缺點在於負載阻抗通常很小，此處是介於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，那麼頻率小於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，但這種解決方案並不適合無線環境，因為手機設計人員必需增加一個直流轉換器來提供負電源，使得解決方案的成本和體積都會增加。除此之外，單端放大器在導通、截止、進入關機模式和脫離關機模式時都很容易產生爆裂音，這些不必要雜訊的產生是因為喇叭兩端出現電壓變動（電壓脈衝），它與此電壓脈衝的上升時間、下降時間和寬度有關。

多數人只能聽到20Hz至20kHz之間的聲音，因此當脈衝寬度小於50μs時，耳朵就不會對它有任何反應，因為此時頻率將會高於20kHz，所以不會有爆裂音；如果脈衝的升起時間超過50ms，就表示其頻率小於20Hz，於是耳朵也聽不到爆裂音。要產生人們熟悉的爆裂音，脈衝寬度必須大於50μs，脈衝的升起時間則要小於50ms。由於單端放大器必須立即截止導通才會產生脈衝，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，但這個速度對於大多數的智慧型手機應用來說實在太慢了。

使用單端電源供應時，輸出直流阻隔電容所儲存的電荷也會造成爆裂音。當放大器的輸出改變時，該電壓加上電容器原有電壓會出現在喇叭兩端，使其發出所謂的爆裂音。

最後，在討論音訊放大器時，提供至負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，於是喇叭兩端的電壓就只能在VDD和地電位之間改變。根據下面這個公式，可以計算放大器送至負載的功率值：

《公式二》

峰至峰輸出電壓的最大值則是電源供應電壓。假設輸出為正弦波，那麼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》

後面文中將證明在同樣的電源供應和負載阻抗條件下，橋式負載和全差動式放大器的輸出功率可以達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：單端輸入和橋式負載輸出(圖二)。橋式負載放大器是由兩個單端放大器組成，分別推動負載的一端，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。傳送至負載的功率是這種差動式驅動電路設計的主要優點之一，利用差動方式來推動喇叭，那麼每當一端的電壓下降時，另一端的電壓就會上升，反之亦然；相較於負載一端接地的方式，差動設計的特性實際上會讓負載的電壓擺幅加倍。由於負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》

於是橋式負載在理論上的最大輸出功率就變成：

《公式七》

相較於使用單電源的單端音訊功率放大器，喇叭兩端電壓加倍後，就算電源電壓和負載阻抗都保持相同，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，爆裂音的產生就會減少。旁路電容和負責產生電源中點電壓的高阻抗電阻分壓器電路會形成一個RC時間常數，而如前所述，只要這個時間常數大於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所產生的雜訊，這個雜訊是由耦合進來的輸出驅動訊號所產生，該訊號則來自於放大器內部的電源中點電壓產生電路。這個雜訊會造成電源供應拒斥比的下降，例如在電源供應充滿了雜訊的系統中，它會影響系統的總諧波失真與雜訊值（THD＋N）。

相較於單端音訊放大器，這類架構的優點是它在相同電源供應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。現在，低頻效能只會受到輸入電路和喇叭響應能力的限制。

然而這類電路也有明顯缺點，例如雜訊耦合至單端輸入後，就會被放大器放大並出現在輸出端，其倍數相當於放大器的增益值。由於放大器B並沒有回授至輸入端，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　單端輸入和橋式負載輸出架構》

全差動式放大器

許多行動電話、PDA、智慧型手機和新型無線裝置現已採用一種新型的音訊功率放大器架構，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，其值等於差動輸入乘上增益值。回授電路則是由外部增益值設定電阻來擔任。

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。這個回授電路已內建至元件中，它會利用分壓器和電容來產生穩定的電源中點電壓；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。

凡是橋式負載放大器勝過單端放大器的優點，全差動式放大器也都具備，但它另有三項重要優勢勝過典型的橋式負載放大器。首先，它不再需要輸入耦合電容，因為使用全差動式放大器後，輸入端就能偏壓至電源中點以外的其它電壓，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範圍，就應該使用輸入耦合電容。

其次，中點電壓的供應電源也不再需要旁路電容CBYPASS，因為中點電壓的任何改變都會等量影響正通道和負通道，並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，但由於它能省下一顆外部零件，設計人員或許仍願接受這個略為降低的電源拒斥比。全差動式放大器的最後一項主要優點是它提供更強大的射頻雜訊抵抗能力，這主要歸功於它擁有很高的共模拒斥比，並且採用全差動式架構。

要得知負載輸出功率，我們可以使用類似於橋式負載放大器的計算方式，因為它也是全差動式放大器。記住當喇叭一端的電壓下降時，另一端就會上升，反之亦然；同樣的，相較於負載一端接地的方式，這種設計會讓負載的電壓擺幅加倍。橋式負載在理論上的最大輸出功率為：

《公式九》

和橋式負載放大器的情形一樣，在同樣的電源電壓和負載阻抗下，喇叭兩端電壓加倍會使得輸出功率增加四倍。相較於前面介紹的各種放大器，這種架構的最大優點在於它的抗雜訊能力。

音訊功率放大器的三大雜訊來源是：

《圖三　全差動式音訊放大器》

電壓供應的變動通常會在放大器輸出端造成很小的誤差電壓，電源供應拒斥比就是放大器抵抗這些效應的能力，它通常是以分貝值來表示。根據標準的電源供應拒斥比方程式，其輸出電壓可計算如下：

《公式十》

例如若電源供應電壓改變500mV，差動輸出電壓的變化值就等於22μV。

在TDMA和GSM行動電話中，電壓供應雜訊的主要來源是射頻電路在導通和截止之間的切換動作。GSM手機是以217Hz的速率進行切換，當射頻功率放大器導通時，它會從電源供應汲取很大的電流，這將使得電源供應的電壓突降，其幅度最高可達500mV。電源拒斥比很差的音訊放大器會在喇叭造成高於217Hz的諧波喀嚓雜訊。

為了瞭解在217Hz切換速率下，電源供應電壓下降500mV所可能造成衝擊，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，前兩者的測試結果顯示，由於全差動式放大器的電源拒斥比很高，供應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。

對於耦合至單端放大器輸入端的雜訊，主要問題是它會被放大，其倍數等於放大器的閉迴路增益，然後出現在放大器的輸出端。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範圍內的共模拒斥比為－74dB，增益則為1V/V。假設耦合至輸入端的共模雜訊在每個輸入接腳都是100mV，那麼利用上式即可得到轉移至輸出端的雜訊值如下：

《公式十三》

根據此方程式，差動放大器的輸出端會出現20μV的漣波，但對於單端輸入放大器，結果卻是100mV再乘上放大器的閉迴路增益。

採用橋式負載輸出電路時，喇叭最常出現的雜訊是射頻功率放大器在217Hz速率下的開關動作，通常這些開關動作聽起來像是喀嚓聲或嗡嗡聲。要瞭解橋式負載放大器為什麼無法抵抗耦合至其輸出端的雜訊，請參考(圖四)。

在導通狀態下，射頻功率放大器會送資料到基地台。在實驗室裡，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，然後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，示波器上的實際波形則如圖四所示。

觀察整個頻寬（>20MHz）即可發現放大器的每個輸出端都會拾取該雜訊，但它們並不會產生任何效果，因為喇叭無法再生如此高頻的訊號。但另一方面，若觀察橋式負載架構小於20MHz的頻寬部份，卻會發現反相隨耦器（橋式負載放大器）試圖對GHz訊號做出響應，這會導致其輸出端電壓（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＋會保持相對穩定，因為它的IN－輸入端並未耦合雜訊。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，但它只會對低頻部份做出響應。若雜訊也耦合至輸入端，則由於共模拒斥比很低，OUT＋的雜訊會增加許多。

與典型橋式負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。當頻寬受到限制時，由於它會差動回授至輸入端，所以不會有任何雜訊出現。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，因此相較於典型的橋式負載放大器，全差動式放大器對於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苛環境中拾取雜訊，典型的橋式負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境的表現卻較為傑出，這要歸功於它的全差動式回授架構以及抵消射頻整流效應的能力，使它得以將行動電話的雜音減至最少。

延 伸 閱 讀	P Type 除了代表 POINT 及 PHASE 以外， P Type 亦是一種創新的觀念及高效率的代名。相關介紹請見「P Type放大器原理」一文。 隨著液晶電視、液晶顯示器和電漿電視的尺寸增大，音訊效能也必須增強。 D 類音訊技術的散熱較少，功耗也大幅降低，設計人員可在不增加散熱或功耗的前提下，提供更好的音訊功率效能，使其不再需要散熱片，以協助減少變壓器和穩壓器的體積與成本。你可在「平面顯示器音訊技術深探」一文中得到進一步的介紹。 影音資料的大量使用已是未來的趨勢，影音資料庫之建置將快速成長。影音資料庫之設計、建置與應用，與傳統的文字式資料庫有很大的不同。目前在此領域上仍有許多的研究空間與無限的商機，正等待研究者與資訊經營者去探索與經營。在「寬頻時代的幕後推手－影音資料庫系統」一文為你做了相關的評析。

最新消息	TI 宣佈推出第一顆內建直流音量控制功能的 5 V 無濾波器 D 類音訊功率放大器，最適合液晶監視器、液晶投影機和主動式揚聲器製造商。相關介紹請見「TI推出第一顆內建音量控制功能的5V無濾波器D類音訊功率放大」一文。 VoiceXML 是一種以 XML 為基礎的標準，它能夠讓使用者透過電話來存取 Web 應用程式和內容，且也可以開發語音為基礎的電話應用程式。你可在「多元化的網路語音應用程式-VoiceXML」一文中得到進一步的介紹。 目前有許多技術都可以建立起人機介面的互動，但最普遍的技術還是以語音、語言或文字為主。本篇文章在於介紹人機介面的語音技術，相信讀者在看完後，會對這些語音技術有所認識。在「用語音來使喚機器吧」一文為你做了相關的評析。