摘要
目前市場上許多耳機放大器的設計遵循Class AB、Class D及Class G等拓墣架構，並被放置在DAC和CODEC等輸出端IC。選用放大器的首要原則包括成本因素，以及所涉及設備的物理尺寸、相連的外接元件、音訊性能、所需電源電壓，以及功耗和效率等。對於以電池作為動力驅動的手持設備(例如可攜式媒體播放機和行動通訊終端等)來說，在設計與耳機相連的放大器及其輸出端IC時，系統設計師則必須仔細權衡這些選用原則中的每一條來作為工作的指導。
Class AB耳機放大器
Class AB是較常見的放大器類型，其效率隨被放大信號的性質而發生變化；電晶體的非理想特性、偏壓電流、電源效率以及負載端阻抗的電抗性元件等造成的損失決定了Class AB放大器的最大效率約為70%。然而，典型的音訊信號位準變化十分顯著，經常出現平均振幅較低的極端波峰。在較低的信號輸出位準上，透過放大器輸出端電路的平均電壓落差會相應增加；因此功率的耗散也會增加，造成效率降低。
許多可攜式音訊IC通常在1.8~5V之間的單極性電壓下工作。這意味著Class AB放大器的輸出會產生相當於供電電壓一半左右的DC偏壓，其通常被稱為中間軌參考電壓(VMID)。由於音訊信號經常在位於VMID的位準上下波動，放大器的輸出則經由電容與耳機負載相耦合。這種透過一個電容實現AC耦合的方法避免了DC偏壓放大器在耳機負載(通常接地)端造成的DC電壓下降沿。移除該偏壓則避免了放大器端的電流離開其均衡狀態。這些DC偏壓阻隔電容通常為容量100~200μF的鉭質電容，尺寸大約1mm厚，不太適合於可攜式應用所需要較緊湊的空間。AC耦合電容實際上也相當於一個具有耳機負載的高通濾波器，可對系統的低頻響應做出限制。與包含放大器的IC相比，這些電容的缺點在於價格較高，而且性能會隨著時間的推移而降低，出現可靠性方面的風險。
透過把耳機負載的一端偏置至VMID，就可以把DC偏壓阻隔電容從系統中移除。該原理是透過使用一個額外的放大器來產生中間軌DC參考電壓，同時主要輸出放大器將音訊信號輸出至負載。這種設計的好處在於可以去除尺寸較大而且有時並不十分穩定的電容；當然額外的放大器也需要更高的電流，增加了電源功耗，最終導致電池壽命的縮短。此外，在這種配置下，由於負的耳機負載終端同時共用一個共同的DC回路(而非共地)，通道分離性也因此降低。其VMID參考拓墣架構同樣存在缺陷：耳機套筒在接地以上的電位被偏置到VMID，這樣，如果耳機插頭被接到另一個以接地端作為參考的系統上，就會引起許多問題，因為將VMID發大器短路至接地端會損壞整個電路。
Class D耳機放大器
最近，許多Class D耳機放大器開始進入市場。Class D音訊放大器在更高的輸出電壓上(在32 Ω負載上高於5mW的功率)具有比Class AB放大器更高的效率，因此最大的好處體現在電池壽命的顯著延長。然而，Class D音訊放大器在靜態和較低聆聽位準(在32 Ω負載上低於1mW的功率)狀態的效率並不十分出色。這是因為由於輸出端需要一個較高的時鐘頻率來驅動類比比較器電路，而且即使在靜態下，輸出電晶體仍然在進行切換。此類放大器在連接至負載之前，高頻PWM(脈寬調變)的信號輸出經常需要進行濾波來對音訊信號進行重組。而輸出端電路也需要一個AC耦合電容來去除中間軌DC偏置電壓。
Class D放大器的配置在較高輸出電壓位準上保持了比Class AB放大器更高的效率。然而，由於耳機信號最大動態餘量的原因，耳機放大器所驅動的電壓卻通常只在很低的位準之上。因為考慮到用戶收聽時的舒適度，在32 Ω耳機負載上的功率通常僅為2mW，而這正是Class D放大器工作效率最低的情況。
考慮到一些小型設備的應用，為了節省PCB空間和BOM成本，Class D放大器每通道還需要額外的兩個元件(通常為電感-電容LC濾波器)來構成一個低通濾波器。
接地參考耳機放大器
接地的耳機放大器無需體積龐大的DC阻隔輸出電容，其為耳機放大器提供了雙軌電壓供電，也就是說，放大器輸出的中間軌參考電壓是真正的接地級。
在以電池為電源的應用中，為放大器提供雙軌電壓供電可透過許多方式實現，包括使用分離式元件。當然，許多現代的可攜式音訊IC多由單極電壓操控，其典型的雙軌電壓供電一般由一個整合型充電泵來產生。
充電泵電路一般需要一個小型的外部返馳電容(通常容量為10μF)，以及在其產生的正負雙軌上安置去耦(Decoupling)電容。因此，接地的耳機放大器就需要三個外部元件。現代的充電泵設計可在為放大器提供電壓時，避免產生與充電泵相關的高頻切換雜訊及其對音訊電路的干擾；也就是說，充電泵的使用不是以犧牲音訊性能為代價的。大多數接地的耳機放大器都應用Class AB放大器的架構，因為其對小型外部元件的使用十分有利。
Class G放大器的運作
Class G放大器可為Class AB型放大器提供可量化的電壓，這樣可最佳化放大器的供電，為輸入信號的提供了足夠的信號空間以避免失真。當一個較弱的輸入信號被放大時，信號空間可被壓縮。因此只需要相對較小的信號空間來實現令收聽者較舒適的音量，以便長時間的收聽；透過實現Class G的架構，因不必要的電源供應空間而造成的功率耗散和低效率將被最小化。
Class G放大器透過調節VDD和VSS來實現，調節VDD和VSS的目的是為了放大器可工作在最佳化的電源供應範圍內；降低VDD和VSS的電壓範圍也可提高放大器處理小幅度信號時的效率。在音訊應用中，最重要的是不能造成信號的失真。
圖5顯示了一個簡化的Class G配置方案。為了回應信號振幅的變化，VDD和VSS被置於不同的位準上(LEVEL 1和LEVEL 2)。透過調變VDD和VSS的位準，放大器的效率相對Class AB的配置可有顯著提高。
為了顯示在耳機放大器應用中使用Class G和Class AB/D的對比情況，歐勝(Wolfson)對三個類似的整合了立體聲耳機的音訊CODEC的音訊性能、DAC至耳機端的功耗、效率、及對外部元件的要求等進行了對比；其中DAC至耳機的輸出模式選擇了目前最常見的可攜式音訊應用中的配置方案。
總結
表1所示的接地參考耳機輸出級顯示了比Class D耳機放大器更優秀的外部元件性能，節省PCB面積約40%。而與Class AB輸出比較，它們的佔板空間會增加15%左右；不過，它們一般只需更便宜的外部元件且尺寸較小，能實現更小的PCB尺寸和更低的BOM成本。
如圖6所示，接地參考Class G耳機放大器的DAC至耳機輸出功率在通常的收聽位準下(32 Ω耳機負載上的功率為2mW)可比Class AB節省20%的功耗；比Class D節省40%。節省的功耗可使電池延長20~40%的使用時間。在通常收聽狀況下，接地方案的Class G耳機放大器在DAC至耳機負載的效率上也同時比Class AB/D提升2~8%。由此可看出，接地方案的Class G耳機放大器在成本、空間、電源功率方面都有很大提升，而且不必以犧牲音訊性能為代價。
目前市場上許多耳機放大器的設計遵循Class AB、Class D及Class G等拓墣架構，並被放置在DAC和CODEC等輸出端IC。選用放大器的首要原則包括成本因素，以及所涉及設備的物理尺寸、相連的外接元件、音訊性能、所需電源電壓，以及功耗和效率等。對於以電池作為動力驅動的手持設備(例如可攜式媒體播放機和行動通訊終端等)來說，在設計與耳機相連的放大器及其輸出端IC時，系統設計師則必須仔細權衡這些選用原則中的每一條來作為工作的指導。
Class AB耳機放大器
Class AB是較常見的放大器類型，其效率隨被放大信號的性質而發生變化；電晶體的非理想特性、偏壓電流、電源效率以及負載端阻抗的電抗性元件等造成的損失決定了Class AB放大器的最大效率約為70%。然而，典型的音訊信號位準變化十分顯著，經常出現平均振幅較低的極端波峰。在較低的信號輸出位準上，透過放大器輸出端電路的平均電壓落差會相應增加；因此功率的耗散也會增加，造成效率降低。
許多可攜式音訊IC通常在1.8~5V之間的單極性電壓下工作。這意味著Class AB放大器的輸出會產生相當於供電電壓一半左右的DC偏壓，其通常被稱為中間軌參考電壓(VMID)。由於音訊信號經常在位於VMID的位準上下波動，放大器的輸出則經由電容與耳機負載相耦合。這種透過一個電容實現AC耦合的方法避免了DC偏壓放大器在耳機負載(通常接地)端造成的DC電壓下降沿。移除該偏壓則避免了放大器端的電流離開其均衡狀態。這些DC偏壓阻隔電容通常為容量100~200μF的鉭質電容，尺寸大約1mm厚，不太適合於可攜式應用所需要較緊湊的空間。AC耦合電容實際上也相當於一個具有耳機負載的高通濾波器，可對系統的低頻響應做出限制。與包含放大器的IC相比，這些電容的缺點在於價格較高，而且性能會隨著時間的推移而降低，出現可靠性方面的風險。
透過把耳機負載的一端偏置至VMID，就可以把DC偏壓阻隔電容從系統中移除。該原理是透過使用一個額外的放大器來產生中間軌DC參考電壓，同時主要輸出放大器將音訊信號輸出至負載。這種設計的好處在於可以去除尺寸較大而且有時並不十分穩定的電容；當然額外的放大器也需要更高的電流，增加了電源功耗，最終導致電池壽命的縮短。此外，在這種配置下，由於負的耳機負載終端同時共用一個共同的DC回路(而非共地)，通道分離性也因此降低。其VMID參考拓墣架構同樣存在缺陷：耳機套筒在接地以上的電位被偏置到VMID，這樣，如果耳機插頭被接到另一個以接地端作為參考的系統上，就會引起許多問題，因為將VMID發大器短路至接地端會損壞整個電路。
Class D耳機放大器
最近，許多Class D耳機放大器開始進入市場。Class D音訊放大器在更高的輸出電壓上(在32 Ω負載上高於5mW的功率)具有比Class AB放大器更高的效率，因此最大的好處體現在電池壽命的顯著延長。然而，Class D音訊放大器在靜態和較低聆聽位準(在32 Ω負載上低於1mW的功率)狀態的效率並不十分出色。這是因為由於輸出端需要一個較高的時鐘頻率來驅動類比比較器電路，而且即使在靜態下，輸出電晶體仍然在進行切換。此類放大器在連接至負載之前，高頻PWM(脈寬調變)的信號輸出經常需要進行濾波來對音訊信號進行重組。而輸出端電路也需要一個AC耦合電容來去除中間軌DC偏置電壓。
Class D放大器的配置在較高輸出電壓位準上保持了比Class AB放大器更高的效率。然而，由於耳機信號最大動態餘量的原因，耳機放大器所驅動的電壓卻通常只在很低的位準之上。因為考慮到用戶收聽時的舒適度，在32 Ω耳機負載上的功率通常僅為2mW，而這正是Class D放大器工作效率最低的情況。
考慮到一些小型設備的應用，為了節省PCB空間和BOM成本，Class D放大器每通道還需要額外的兩個元件(通常為電感-電容LC濾波器)來構成一個低通濾波器。
接地參考耳機放大器
接地的耳機放大器無需體積龐大的DC阻隔輸出電容，其為耳機放大器提供了雙軌電壓供電，也就是說，放大器輸出的中間軌參考電壓是真正的接地級。
在以電池為電源的應用中，為放大器提供雙軌電壓供電可透過許多方式實現，包括使用分離式元件。當然，許多現代的可攜式音訊IC多由單極電壓操控，其典型的雙軌電壓供電一般由一個整合型充電泵來產生。
充電泵電路一般需要一個小型的外部返馳電容(通常容量為10μF)，以及在其產生的正負雙軌上安置去耦(Decoupling)電容。因此，接地的耳機放大器就需要三個外部元件。現代的充電泵設計可在為放大器提供電壓時，避免產生與充電泵相關的高頻切換雜訊及其對音訊電路的干擾；也就是說，充電泵的使用不是以犧牲音訊性能為代價的。大多數接地的耳機放大器都應用Class AB放大器的架構，因為其對小型外部元件的使用十分有利。
Class G放大器的運作
Class G放大器可為Class AB型放大器提供可量化的電壓，這樣可最佳化放大器的供電，為輸入信號的提供了足夠的信號空間以避免失真。當一個較弱的輸入信號被放大時，信號空間可被壓縮。因此只需要相對較小的信號空間來實現令收聽者較舒適的音量，以便長時間的收聽；透過實現Class G的架構，因不必要的電源供應空間而造成的功率耗散和低效率將被最小化。
Class G放大器透過調節VDD和VSS來實現，調節VDD和VSS的目的是為了放大器可工作在最佳化的電源供應範圍內；降低VDD和VSS的電壓範圍也可提高放大器處理小幅度信號時的效率。在音訊應用中，最重要的是不能造成信號的失真。
圖5顯示了一個簡化的Class G配置方案。為了回應信號振幅的變化，VDD和VSS被置於不同的位準上(LEVEL 1和LEVEL 2)。透過調變VDD和VSS的位準，放大器的效率相對Class AB的配置可有顯著提高。
為了顯示在耳機放大器應用中使用Class G和Class AB/D的對比情況，歐勝(Wolfson)對三個類似的整合了立體聲耳機的音訊CODEC的音訊性能、DAC至耳機端的功耗、效率、及對外部元件的要求等進行了對比；其中DAC至耳機的輸出模式選擇了目前最常見的可攜式音訊應用中的配置方案。
總結
表1所示的接地參考耳機輸出級顯示了比Class D耳機放大器更優秀的外部元件性能，節省PCB面積約40%。而與Class AB輸出比較，它們的佔板空間會增加15%左右；不過，它們一般只需更便宜的外部元件且尺寸較小，能實現更小的PCB尺寸和更低的BOM成本。
如圖6所示，接地參考Class G耳機放大器的DAC至耳機輸出功率在通常的收聽位準下(32 Ω耳機負載上的功率為2mW)可比Class AB節省20%的功耗；比Class D節省40%。節省的功耗可使電池延長20~40%的使用時間。在通常收聽狀況下，接地方案的Class G耳機放大器在DAC至耳機負載的效率上也同時比Class AB/D提升2~8%。由此可看出，接地方案的Class G耳機放大器在成本、空間、電源功率方面都有很大提升，而且不必以犧牲音訊性能為代價。
