| 引言
D類升壓放大器驅動揚聲器的電壓高于供電電壓，由于可以用單節鋰離子(Li+)電池供電就能實現較高性能的音頻，這類放大器應用廣泛。然而，大多數D類升壓放大器并不為用戶提供內部升壓后的電壓，這就使復用揚聲器難以利用常見的模擬開關實現多路音頻源。本文中，我們討論如何利用擺幅電容電荷泵使模擬開關能連接這些信號，而無需附加外部電路。
擺幅電容電荷泵
我們首先從擺幅升壓電容的基礎電路開始討論，該技術早已被用于產生高于電源的電壓，以及提供負電源。只要每次加一點點的力量，即使小朋友也能讓秋千蕩得很高。擺幅升壓電容(這里指電荷泵)電源的原理與此類似。
圖1. 小朋友在院子里玩秋千時，添加的能量，使他們的小伙伴蕩的越來越高。
現在，請觀察圖2，我們假設VCC為5V。明白這點之后，我們就能明白簡單的兩級擺幅電容電荷泵的工作原理。首先，通過圖中所示頂部的兩個開關將C1充電至VCC。然后，將頂部的兩個開關置于與圖2所示相反的位置。現在，C1的負端連接至VCC，正端連接至C3+和V+。第一級C1中儲存的電壓(+5V)疊加至VCC (+5V)，在V+上產生+10V電壓。
另外一個擺幅電容C2用于產生負電源V-。將C2兩側的兩個開關置于與圖2所示相反的位置。C2的正端連接至V+，負端連接至地。然后切換C2各端的開關，因此將C2的正端接地，將負端連接至C4和V-，以形成負電源。
圖2. 利用擺幅電容電荷泵轉換電壓。
擺幅電容電荷泵極成功地被用于計算機的串行通信系統。RS-232(現稱之為EIA/TIA-232)標準頒布于1962年，現在仍通用，并且已經被許多工業應用所采用2。RS-232標準要求信號擺幅至少為±5V，早期集成電路RS-232收發器的工作電源為±12V至±15V。上世紀80年代中期，Maxim Integrated Products推出了使用擺幅電容電荷泵的IC，與圖2所示類似。器件允許利用單端+5V電源實現全部功能RS-232通信。早期的MAX232仍然在產，并且自始至終是銷售最好的器件之一。
由于那些早期工業通用電源現在已經降至3V或更低，電池供電的便攜式設備大量涌現，其工作電壓低至1.8V。隨著情況的變化，升壓電源的需求幾乎已經消失。同時，由于多個串聯電荷泵在高功率應用中的效率較低，所以開發出不同的技術來支持這些應用。在這些領域中，電感電源使得高效率升壓調節器成為可能。雖然基于電感的調節器已經大量取代要求大功率應用中的擺幅電容電荷泵，但擺幅電容電荷泵仍被許多領域應用。
音頻升壓電源，節省功耗、使用時間更長
D類升壓音頻放大器能利用低壓源，例如單節鋰離子(Li+)電池，提供高質量的音頻信號，所以在手持式系統中應用廣泛。例如，當手機被用作便攜式媒體播放器或免提電話時，AB類放大器不能提供所需的清晰度和音量。所以，D類升壓放大器就取而代之。然而，當手機僅僅用作電話聽筒時，AB類放大器則提供很好的性能，同時節省功耗。因此，設計者需要一種途徑能夠在電話聽筒類應用中節省功耗，同時也支持免提電話或媒體播放器應用中的大音量。這種復雜的挑戰使得多路音頻源復用單個揚聲器就非常具有吸引力。
D類升壓放大器無需PCB上的大空間，即可提供大音量。然而，在將升壓放大器復用至揚聲器時，問題出現了。根據設計，D類升壓放大器輸出的音頻信號高于電源電壓，但通常模擬開關的信號需限制其在電源軌之內。所以，許多現代化的模擬開關增加了能夠傳輸負電源以下信號的能力。雖然如此，這仍然給D類放大器的升壓信號帶來了問題，因為不能傳輸高于正電源的信號。為D類放大器供電的內部升壓電源通常不用于為外部設備供電；此外，即使能夠為外部設備供電，也只有放大器打開時才有。所以使用這樣的電源不太現實，因為當其它放大器正在工作時它可能沒有。因此，如果沒有附加電路，揚聲器復用的應用中就難以使用普通模擬開關。解決這一問題的途徑有多種，我們將逐一總結其優缺點。
提高供電電壓？
在有些情況下，直接利用D類升壓放大器輸出的升壓電壓好像很有優勢。但是，如上所述，當D類升壓放大器關閉時，給模擬開關的升壓電壓就沒有了。因此，設計者必須尋求另一種途徑為模擬開關供電。這就意味著系統必須多設計一個 “或”電路，利用不同的源為開關供電， 它取決于那個放大器正在工作。貌似非常合理，但“或”電路實現這個功能將消耗附加空間和功耗。在空間和功耗是主要設計約束條件的系統中，這種處理是不可取的。
另一種解決方案，雖然不常見，是使用外部升壓電源（電感或電荷泵的方法外都行）為電路供電。增加升壓電源意味著增加一堆的外部元件(例如IC/二極管/電容/FET/電感)。不可否認，這解決了問題，但是缺點顯而易見。首先，在追求體積小的大多數現代應用中這種增加的元件的解決方法是不可接受的，不會采納的。另外，即使高效率的升壓轉換器所帶來的功率損耗，也是用電池供電系統不可承受的。
將音頻電平轉換至可接受的范圍？
音頻應用中使用的許多模擬開關支持負電壓。所以，常見的實現方案是轉換信號的直流偏置電壓，直到信號下降至開關可接收的電壓范圍。最常見的方法就是用隔直法。該方法是工程師在模擬開關的輸入端放置隔直電容。這種方法至少存在三個問題。
首先，電容使本已空間緊張的應用增加了元件。此外，增加的電容值需要足夠大，以保證構成的高通濾波器的截止頻率盡量的低。此時，負載是揚聲器，而不是相當高阻抗的放大器輸入。這進一步增大了維持音質所需的電容尺寸。
第二個問題實際上加劇了第一個問題。由于電壓系數的原因，增加的隔直電容會帶來低頻的相位失真。電壓系數表示電容值隨電容電壓變化的程度。由于電容的阻抗在低頻時較高，會在電容的兩端形成一個電壓，從而使電容降低至額定值以下。隨著頻率增大，電容也增大。電容變化也造成比濾波器的-3dB點高達10倍的頻率下的失真。因此，為保證失真在音頻范圍之外，電容應足夠大，使截止頻率低至2Hz。此外，所選電容的電壓系數應較低，該項要求通常將小型封裝電容排除在外，例如陶瓷電容。所以，最常用的是鉭電容或電解電容，以降低電壓系數。
最后，諸如等效串聯電阻(ESR)的非線性等因素也會引入失真。ESR非線性與頻率有關，有些情況下由于阻抗增大而限制了提供給揚聲器的功率。
總而言之，此處討論的隔直方法解決了問題，但要求在成本、音質及空間方面做出妥協。
使用隱形(集成)方案
典型D類升壓放大器采用低至2.5V的電池電壓，產生5.5V的輸出電壓。這很好，但現在的問題是不使用占用空間的分立式元件，如何能在音頻放大器之間切換？圖3所示為解決這一問題的“隱形”方案，更準確地說，是集成方案。該方案是一種超小尺寸的雙刀雙擲(DPDT)模擬開關，允許升壓信號通過，無需附加外部電路。我們稱之為隱形方案是因為該DPDT開關所需的一切都集成在1.2mm x 1.2mm、9焊球晶原級封裝(WLP)內，非常類似于利用電荷泵來避免使用高壓外部電源的MAX232。集成了所有必需的電荷泵。由于電荷泵只需要驅動開關內部的門電路，所以甚至不需要外部電容。該集成技術允許高達±5.5V的信號通過，失真超小，而器件電源電壓可低至+1.6V。實際上，這種復雜的技術對于設計者或用戶是不可見的。
圖3. 典型音頻配置的“隱形”集成方案。
由于該方案能傳輸信號電平超出電源上下軌電壓，無需隔直電容或外部升壓電源。實際上，利用MAX14689 DPDT模擬開關實現多路復用揚聲器，無需附加外部電路，即可為音頻系統供電。該方法將節省可觀的空間。此外，無需隔直電容,信號直接通過,避免了隔直電容所占的空間和導致失真。
最后，開關為“先開后合”式，確保幾個音頻放大器不會短路在一起。與其它常見方法相比，開關式保證系統的音質，同時減少空間需求。利用低至2.5V的電源供電時，開關的低(0.25Ω，典型值)導通電阻(RON)允許將功率高效率傳輸至揚聲器，并具有低THD+N。
結論
D類升壓放大器大大提高了音質，所以在電池供電音頻系統中尤其具有優勢。但是，這些放大器的功耗較高，所以始終打開的情況下在這類系統并不具有優勢。同時，幾個不同音頻系統復用單個揚聲器具有諸多優點。所以，典型模擬開關不能傳輸高于或低于其電源擺幅范圍的問題亟待解決。傳統方法具有許多不利影響，而本文介紹的方案簡單、節省空間、保證音質。 |
