耳机设计：品质VS效率

在最近几年中，D类放大器因其体积小、效率高，已经进入了消费类音频电子产品、汽车以及便携式音频产品市场。它的效率帮助减小了汽车放大器以及便携式媒体扩展插槽的尺寸，并以较小的波形因子提供了更大的功率，有助实现新式的消费类音频设备。

但是，这种新技术也带来了一种幻觉。同所有其他的工程讨论一样，效率的增加和波形因子的减小之间存在着折中。增加的失真和电磁干扰（EMI）是在追求D类放大器所能够实现90%～95%的效率过程中所必须克服的障碍。

AB类放大器
传统的AB类放大器是一种非开关放大器，它在过去的许多年中经过了许多改进，以便提供高保真音响爱好者们所期待的音频性能。与带有无法消除死区时间的D类放大器相比，非开关放大器的线性度是非常好的。死区时间被定义为开关放大器不向负载或扬声器提供电压的“关闭”时间，这样做的目的是防止供电电源与输出设备之间形成短路。这段关闭时间就是这些放大器被认定为非线性放大器的根本原因。

与开关放大器相比，降低非开关放大器的死区时间要简单得多，因此人们认为非开关放大器的音频性能更好一些。此外，开关放大器的总体基底噪声会被输出信号中未经过滤的部分所恶化。AB类放大器的缺点在于它的最大理论效率大约为78%。这个效率有点容易导致误解，因为非开关放大器的最高效率只有在未经限幅之前放大器达到最大输出时才能够实现。因此，AB类放大器正好在放大器限幅之前达到最高效率，而在现实中，放大器无法始终工作在这个区域。对于一般应用，大多数AB类放大器工作在20%～30%的区域。

图1 H类放大器功率轨调整的图形表示

因此，如果工程就是为了实现折衷的话，那么一定存在某种中间立场。放大器应该能够在不损害性能的情况下将系统的工作效率最大化。

实现上述想法的一种方法是根据音频输出的轮廓对AB类放大器的供电轨进行调制。这样做，工作效率在20%～30%的AB类放大器能够将实际工作效率提高到45%～55%左右，这种产品被称为H类放大器。

H类放大器
H类结构所提供的效率要低于D类，但是它为系统设计人员提供了性能的显著提高。这种放大器实际上是AB类设计，死区时间极短，因此失真程度要远低于D类放大器。在考虑其最终应用时，上述特性非常重要。

AB类放大器主宰耳机放大器市场的原因是它们提供了最好的性能。这一点之所以重要，是因为D类耳机放大器，特别是消费类电子产品中常用的无滤波器拓扑结构，能够产生一种最终用户很容易就能听到的音频基底噪声。

通过增加H类控制器，系统设计人员能够在提高效率的同时不损害声音的品质（较低基底噪声和较好的线性度），这正是当今的消费者所希望得到的。耳机应用中非开关放大器的另一项优势是它们抗电磁干扰的性能要优于D类放大器。

耳机线将充当天线，该天线能够将高频开关噪声辐射到系统环境中。系统设计人员必须使用外部滤波器和/或屏蔽体来减弱这些噪声，而这些手段会增加电路板尺寸和BOM成本。非开关放大器，如H类放大器，几乎能够完全消除这种电磁干扰问题，而且总体的BOM成本要更低一些。

无论如何，最终都归结到折中。如果系统设计人员必须驱动很高的功率输出，首要考虑因素是功率输出的最大化，而性能是次要考虑因素，那么他们应该考虑D类放大器。相反，如果他们首要关注的是音频性能而非效率，那么他们应该更多地考虑H类设计的优势。