G类放大器的基本原理及其应用

G类放大器的基本原理及其应用
吴红奎
G类放大器并不是一个什么新概念，大约在1977年，Hitachi（日立）公司就推出了基于G类放大技术的商用功率放大器：HMA-8300，这就是其其E系列后级，采用场效应管为输出级，搭配HCA-8300组成分体式的功率放大器。

题头图. HCA-8300/HMA-8300前/后级放大器
G类放大器的电源供给需要使用当时还比较昂贵的功率半导体器件做为电子开关，由此带来的效率提升则显得有些微不足道。

随着高速和功率半导体器件价格的逐渐降低以及便携产品对效率的苛求，G类放大器又开始受到人们的追捧，MAXIM（美信）在2006年一下子推出了两款针对便携应用的G类放大器IC。

本文旨在说明G类放大器的基本原理和实际应用。

一、G类放大器的概念及其它
1、什么是G类放大器
放大器的分类方法有很多种，在音频应用领域，按照末级功率晶体管静态工作点的不同，可以分为A（甲）类、AB（甲乙）类、Super-A（滑动甲类）、B（乙）类等；按照末级功率晶体管的工作状态不同，可以分为模拟放大器和D类放大器（数字放大器）等；功率放大器的供电方式也不仅仅限于固定电压的一组对称的正负电源或者单一电源，也可以是多组电压不同的电源，或者电压变化的单一电源，就有了G类放大器、H类放大器之说，图1可以更好的说明这个问题。

G类放大器采用高、低两组工作电压并且根据输出功率的大小（以信号幅度计）自动转换，图2是G类放大器的流程示意图，VCC为正电源，VEE为负电源，电压的高低以绝对值计，下同；图3是G类放大器的电源电压对应输出功率的变化曲线图。

如果负载一定，功率放大器的理论最大不失真输出功率和静态功耗只与供电电压有关，所以采用高、低电压供电的G类放大器理论上有更高的效率，而失真度指标则与末级放大器的工作点有关。

由于工作电压的转换与输入信
号幅度的变化之间不会完全绝对同步，由此会带来一些额外的失真，所以G 类放大器的末级工作点一般选在AB 类，因为B 类的效率已经很高，A 类则为了音质而宁可牺牲效率。

随着DC-DC 电源变换技术的进步，因电源的复杂性带来的额外成本增加在逐渐降低，同时因电压转换带来的额外失真也已经降低到了几乎可以忽略的程度，尤其在大功率输出状态，由于耗散功率被电源部分的功率半导体器件分摊，G 类放大器的失真度指标不降反升，甚至比AB 类更好。

D 类放大器
数字输入前端 DAC （数模转换器）模式 D 类放大器
纯数字放大器
模拟放大器
PWM （脉冲宽度调制）方式
PDM （脉冲密度调制）方式
音频功率放大器
静态工作点不同：A 类、AB 类、B 类……
供电电源供给方式不同
一组供电电源：A 类、AB 类、B 类……两组或者多组供电电源：G 类可变频率调制方式
固定频率
调制方
式模拟输入方式 D 类放大器
数字输入前端 ADC （模数转换器）模式数字放大器
一组可调电源：H 类
图1.音频功率放大器的分类简图
图
2. G 类音频功率放大器的流程示意图 图
3. G 类功放电源对应输出功率的变化曲线图
2、G 类与H 类
G 类、H 类放大器是两类非常接近放大器，二者都与末级晶体管的静态工作点无关，只是供电电压的变化方式不同，H 类放大器采用线性变化的工作电源，电源电压随着输出功率（以信号幅度计）的变化而变化，所以H 类的音质和效率比G 类要高一些，但电源更为复杂。

图4可以定性的说明几类放大器在音质和效率方面的趋向。

图4.几类音频功放的音质表现与效率水平对比图
单单从音频功率放大的角度上来说，目前实用的A 类、AB 类、B 类、G 类、H 类放大器都属于模拟放大器，而D
类放大器包括纯数字放大器在内属于开关放大器，模拟信号进行数字开关放大不可避免会带来失真，音质评价上则会有我们所说的“数码声”。

使用高性能数字化开关电源的新一代G类和H类放大器，音频信号放大器回路仍然模拟放大技术的，能够比较好的兼顾音质和效率，对D类放大器来说将是个有力的竞争者。

也许不远的将来，G类、H类放大器会被划分到数字放大器的行列也未可知，如ST（STMicroelectronics，意法半导体）公司的“BASH TM”系列放大器,以笔者的观点来看，就是采用数字开关电源技术的H类放大器，只是ST公司和该技术的专利原始拥有者“INDIGO”公司对此都讳如莫深。

G类放大器用于大功率放大器可以提高放大器的效率和功率输出能力，尤其是对于近年流行的3D重低音系统中的重低音、超重低音放大器来说，其效率的优势就更为明显；对于小功率放大器，在便携应用领域同样有它的用武之地；在非音频领域，TI ( Texas Instruments，德州仪器)公司2000年左右推出了G类、AB类双工作模式的ADSL线路放大器THS6032，以笔者观点，THS6032能够以400mA电流驱动25Ω负载，有着25MHz（0.1dB）的带宽，如果价格合适，用做音频线路放大器和耳机放大器也应该有不俗的表现。

ST公司对G类、H类放大器情有独钟，除了上述“BASH”系列放大器以外，还有多款针对车用放大器的H类集成功放推向市场，下文要介绍的以TDA7294为核心的大功率G类放大器也是ST公司发表的。

二、大功率G类音频功率放大器实例
ST公司生产的单片式大功率DMOS集成功放，内部电压推动级和功率输出级有着完全独立的供电端子，因此比较适合于G类放大器的应用，如TDA7293、TDA7294等。

1、TDA7294简介
TDA7294是单通道高保真大功率AB类音频功放集成电路，是TDA7293的简化升级版本，二者有着一样的封装形式，只是去掉了用处不大的故障输出指示端子和不常用的主从方式并联工作模式，简化了自举电容的外接方式，额定工作电压也有所降低。

TDA7294的内部等效电路简图参见图5，其技术文档可以从“/stonline/products/literature/ds/1057/tda7294.pdf”下载，它的主要技术特性如下：l额定工作电压：± 12 ~ ± 40V；静态电流（V CC= ±35V，R L = 8Ω，典型值）：30mA；
l RMS连续输出功率（V CC= ±35V，R L = 8Ω，THD＝0.5%，典型值）：70W；
l THD（V CC=±35V，R L=8Ω，P O=0.1～50W，f=20Hz~20kHz，A V=30dB，典型值）：0.1%；
l频率响应（－3dB，P O =1W）：20Hz ~ 20kHz
l PSRR（电源电压抑制比，典型值）：75dB；
l输入阻抗：≥100k Ω；
l DMOS功率输出级，高功率输出能力，THD按照10％计连续输出功率能够达到100W，可以驱动低至4Ω的负载；
l静音、待机控制功能，无开关机冲击声；
l短路保护，过热关断功能，过热关断温度：145℃。

2、以TDA7294为核心的大功率G类音频放大器
TDA7294内部集成的DMOS功率输出级，电流输出能力高达±10A，功率输出能力十分强劲，为了解决散热带来的问题，ST发表了以TDA7294为核心的高效G类放大器，图5是这款G类放大器的原理图。

这个放大器的功率输出级的工作点为AB类，供电采用±25V和±40V两组电源，功率阈值约为20W。

TDA7294的7脚、8脚是内部电压推动级供电端子，始终由±40V电源供电以保证放大器有足够的动态范围；末级则根据输出功率的不同，通过幅度检测控制电路控制电子开关，供电电压自动在±25V和±40V两组电源之间转换。

电源的转换原理以正电源为例简述如下：
稳压二极管DZ1、R7组成幅度检测电路，D3为DZ1提供直流通路并隔离供电电源和负载，Q4、Q5及其外围元件组成恒流源电路以保证DZ1能够提供精确的基准电压，同时为Q1、Q3组成达林顿电子开关提供开、关所需要的驱动电流。

13脚是TDA7294内部DMOS功率输出级的供电端子，当输出功率小于功率阈值设定值时（本例是20W），输出瞬时电压幅度比较低，不足以让由Q1、Q3组成的达林顿电子开关导通，±25V的电源通过隔离二极管D1给末级供电；当输出功率比较大时（大于20W），输出瞬时电压幅度就足以让由Q1、Q3组成的达林顿电子开关导通，末级供电改为±40V的电源供给，±25V电源由于隔离二极管D1的存在而自动断开；L1、C9、R1组成电源电压转换
缓冲电路以避免高低电源电压转换时造成冲击并保证电路的稳定。

图5. 以TDA7294为核心的G类放大器原理图
按照图5中的元件参数，这款放大器的功率输出能力（Po）为：
THD按10 %计，R L= 4 Ω，Po = 150 W；R L= 8 Ω：Po = 100 W；
THD按1 %计，R L= 4 Ω，Po = 120 W；R L= 8 Ω：Po = 80 W。

采用高低压供电方式的AB类放大器（G类放大器）的效率可以明显提高，功率输出能力有所提高，大功率达林顿晶体管分担了一部分耗散功率，对散热器的要求有所降低，图6、图7 显示了AB类放大器和G类放大器在效率、THD方面的对比。

图6. 两类放大器的效率对比
图7. 两类放大器的失真对比图8则显示了G类放大器的耗散功率构成情况。

以笔者观点来看，图5中的电子开关采用3级达林顿不如采用VMOS管更为合适：场效应管属于电压驱动型器件，对于低频电路，驱动电路更为简单，驱动功率几乎可以忽略。

例如比较常用的IRF510/IRF9510就应该能够满足此类应用，这样图5中的Q3、Q1就可以合二为一，用IRF510代替；
同理，Q2、Q6可以用IRF9510替代，这样对进一步提高效率也非常有利。

其二，从成本上评价，如果不是苛求效率的场合，似乎使用足够大的散热片来提高功率输出能力和放大器的稳定性更为廉价简单。

其三，同系列的TDA7293能够以主从方式并联，即两片TDA7293并联工作，共用一个电压推动级和控制保护电路，就像分立元件功放中末级功率晶体管并联一样，这样提高功率输出能力似乎更为合理，成本增加也不是太多，不过TDA7294没有这个功能。

图8. G类放大器的耗散功率构成
图9是推荐的印刷电路图，为顶视透视图，即从元件面向下看，假想人眼能够透过印板看到的铜箔走线图。

这个电路同样适用于TDA7293，只是自举电容C15的接法稍有不同，需要稍微变通一下，高压电源也可以提高到±50V。

图9. 以TDA7294为核心的G类放大器印刷电路图
图5中的部分晶体管在国内可能不太常用，可以按表1所列的主要技术规格用相近的代用。

表1 图5中的部分晶体管的主要技术规格
型号主要技术规格
BDX53A 达林顿对管，TO220封装，P D：60W；I C：8A；V CEO：60 V；β：≥750
BDX54A
BC393 小功率开关管，β：50～100，f T：5MHz；I C：10mA ；V CEO：180 V；可用2N5551，2N5401代用。

BC394
BYW98100 3A、100V的超快恢复二极管，trr（反向恢复时间）≤35ns。

三、G类放大器的新应用：高效率的便携设备音频放大器
MAXIM（美信）公司最近推出了针对便携应用的两款G类放大器集成电路：MAX9788和MAX9730，二者有相似的封装尺寸和技术规格，内部集成了电荷泵，兼顾了性能、效率和体积以及电磁兼容的要求，面向蜂窝电话、手持式游戏机、MP3播放器、笔记本电脑、个人多媒体播放器（PMP）、智能电话等便携设备的音频放大应用。

区别是MAX9788能够输出比较高的电压，适合推动容性负载特性的压电陶瓷扬声器，MAX9730能够输出比较大电流，适合于传统的动圈式扬声器。

这里仅以MAX9788为例说明之。

1、MAX9788简介
MAX9788采用差分平衡输入、输出放大方式，单通道结构，单电源供电，无开关机冲击声，集成了使能控制和软启动功能，有28引脚的TQFN和20焊球的UCSP TM两种封装形式，图10是MAX9788的内部等效电路简图，表2是其主要的技术规格参数。

图10 MAX9788内部电路示意图
表2：MAX9788的主要技术参数（V CC = 3.6V，f＝1kHz，TA=25℃，典型值，有说明者除外）。

参数符号单位一般中文译名参数的典型值参数的测试条件V CC V 供电电压范围 2.7～5.5
I CC mA 静态电流8～12
P O W RMS连续输出功率 1.25 THD = 1%，R L = 8Ω
THD+N ％总谐波失真+噪声0.08 Z L=1µ+10Ω，V OUT=1kHz，4.0V RMS
SNR dB 信噪比108 V OUT = 5.1V RMS，A-计权
V OUT V 输出电压 5.1 THD = 1%，RMS
A V d
B 闭环电压增益范围11.5～12.5
PSRR dB 电源抑制比77 V IN=200mV P-P
CMRR dB 共模抑制比68 PV SS接入－3.6V电源
DNR dB 动态范围105 THD = 1%，A-计权
2、直流升压电路使放大器能够兼顾功率与便携要求，尤其是高阻抗的压电陶瓷扬声器
便携设备一般采用5V左右的电池供电，电池在使用的过程中会逐渐跌落，如常见的4.2V的锂电池，电压会跌
落至3V左右，要保证输出功率始终能够满足要求就必须采用直流升压电路。

直流升压电路就是我们熟悉的开关电源，也称为（升压式）DC/DC变换器，目前广泛采用的包括以电感为储能元件的升压转换器和以电容为储能元件的升压转换器（电荷泵）。

电感为储能元件的升压转换器的优势是输出功率大，理论上不受限制，自身具备稳压能力，缺点是体积相对较大，EMI问题需要小心处理，目前成本相对比较低。

NSC（美国国家半导体）推出的LM4802B、LM4960等就是集成了此类升压转换器的单片音频放大器，10μH左右的储能电感和用于高频整流的肖特基二极管需要外接，占板面积相对电荷泵比较大。

电荷泵的优势是体积小，没有明显的EMI问题，比较适合便携设备应用；缺点是目前输出功率比较小，自身不具备稳压能力，需要稳压时需要额外的稳压器，通常是LDO（低压差线性稳压器），成本相对比较高，实际中一般是倍压应用或者电压反转应用。

MAXIM公司在这方面的技术比较成熟，早期的MAX68x为很多电源工程师所熟悉，其中的MAX681还集成了电荷泵所必须的电容，后期的MAX86x系列则着重提高了电流输出能力。

而MAX9788中集成的电荷泵，峰值电流输出能力更是达到了700mA，虽然需要外接两个贴片形式的陶瓷电容器，整个电路的占板面积还是比电感方式要小，EMI问题也大为减小；如果能够仿照MAX681的方式将电容也集成，占板面积会更小，只是成本相对会高出许多。

采用升压电路的另一个好处是：放大器能够驱动体积相对比较小的高阻抗压电陶瓷扬声器。

压电陶瓷扬声器与常见的动圈式扬声器相比，体积要小得多，非常适合便携应用。

据报道美国“Taiyo Yuden”公司生产的MLS系列多层陶瓷压电扬声器，只需要高度不到1mm的装配空间，直径约20mm，而且其音质已经不亚于传统的动圈式扬声器。

但是压电陶瓷扬声器需要相对比较高的驱动电压，要获得令人满意的声压，需要峰值15V左右的电压，所以如果采用压电陶瓷扬声器就必须使用直流升压电路。

3、G类放大器兼顾了效率和音质
便携设备采用带有直流升压电路的放大器，能够明显提高功率输出能力，减少了便携设备对电池的最小需求，但是随着电压的升高，放大器的功耗随之增加，便携设备的待机续航能力会受到一定影响，D类放大器的效率指标比较理想，但是不可避免的会有EMI问题，模拟放大器中C类放大器的音质差强人意，AB类放大器的效率又低了些，采用G类放大器可以解决减少因为工作电压提高引起静态功耗增加的问题。

以MAX9730为例，输出功率为1W 时的效率典型值为63%。

4、MAX9788中G类放大器的一般原理
图11. MAX9788工作原理示意图
MAX9788采用的供电方式与一般的G类放大器稍有不同：用单、双电源代替高、低压电源，根据输出功率的不同，单、双电源自动转换，小信号时仅仅以单电源供电工作，大信号时自动转换为双电源工作。

内部集成的电荷泵刚好以电压反转方式工作，产生幅度与外部供电电源相等，极性相反的负电源。

MAX9788内部集成的AB类BTL 功率放大器可以适应单、双电源供电，当外部电源为＋5.5V时，内部功放电路最高能够以±5.5V的电压工作，输出峰值为14V的电压以驱动高阻抗的压电陶瓷扬声器。

图11用理想条件下流过负载的峰值电流（I P）的典型变化情况说明了这个G类放大器的一般原理：I P的变化反映了输出功率的变化，忽略负载阻抗和温度变化，二者大体上成正比例关系。

由N沟道场效应管构成的电子开关受控于信号幅度检测与控制电路，输出功率变化，输出信号幅度的大小也发生相应变化，电子开关的开、关状态不同，接入末级的供电电源也就不相同。

4、MAX9788的典型应用
图12是MAX9788的典型应用原理图。

采用差分输入方式的MAX97881可以方便的和通常采用平衡输出方式的CODECs（音频编解码器）相配合，这种方式也利于提高信噪比，改善放大器的抗干扰能力。

图12. MAX9788的典型应用原理图
图12中，R1、R2是放大器的输入电阻，决定了放大器的输入阻抗；R3、R4是负反馈电阻，R1、R2、R3、R4共同决定了放大器的闭环电压增益，计算公式是：A V＝20log[4(R2/R1)]，单位是dB（分贝）。

对于差分放大器来说，需要高精度电阻以保证两个通道的平衡，同时为了减小噪声，使用低噪声电阻也非常必要，所以R1、R2、R3、R4采用精度为0.5％的高精度低噪音电阻非常必要；为了保证良好的CMRR（共模信号抑制比），要求尽量满足R1·R4＝R2·R3，C5=C6；C5、C6是输入耦合电容，与R1、R3一起构成信号输入端的高通滤波器，其－3dB频率截止点按如下公式计算：f＝1/(6.28·R1·R2)；R6、R7是负载匹配电阻，二者阻值之和推荐为10Ω，二者同时也能防止容性负载的高频“虚短路”现象，因为对于容性负载来说，其容抗与频率成反比。

C7是内部电荷泵的储能电容，其容量和品质影响电源的等效内阻并最终影响电流输出能力，电容的ESR参数相对比较重要，理想应该小于50mΩ，推荐使用X7R系列的固态电容。

C10是内部电荷泵的滤波电容，其容量主要
影响电源的纹波系数。

R5决定了内部电荷泵的开关频率，内部电荷泵以双频模式工作以降低放大器的静态功耗：当输出电流大于100mA时，电荷泵以全频方式工作，否则就以降频模式工作，频率自动降至全频方式的四分之一。

例如R5＝100k时电荷泵典型的工作频率是330kHz，降频模式则为83kHz。

四、结语
G类和H类放大器虽然效率比D类放大器稍低，但都属于人们已经习惯的模拟放大器，而且失真都小于D类放大器，在成本上也有一定的优势。

不过随着D类放大器的发展，包括数字技术技术的全面应用和市场占有率的不断扩大，这种成本优势正在减小，在高功率的专业设备领域，由于功率和失真的双重苛刻要求造成电源的附加成本大幅度提高，这种优势显得更加有限。

附：
1、参考资料：
⑴、TDA7294, 120V-100W DMOS audio amplifier with MUTE/ST-BY·STMicroelectronics·2003.01。

⑵、MAX9788, 14V P-P, Class G ceramic speaker driver·MAXIM·2006.12。