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自然語言就是新一代的使用者介面

Diodes 公司歐洲應用經理 Colin Davies  

高頻寬網際網路連線、深度學習演算法及高品質音訊的完美結合,為使用者介面帶來全新典範,那就是語音。透過自然語言與家電及雲端服務進行互動的能力,是人機互動方式的巨大變革。

目前的數位助理看來像是達到現今技術的巔峰,但實際上只是新世代使用者介面的起點。語音識別是一項已存在多年的技術,例如現在已有許多軟體套件可將語音轉換為文字。不同之處在於軟體解譯文字的方式。目前為止,軟體只是單純轉播文字到螢幕上,但近期機器似乎能理解意圖及詞彙。這種人工智慧技術將在未來幾年內普及,這代表能更容易取得技術,並整合至日常用品中。

製造商未來將面臨的挑戰,是如何為更小的電子裝置加入高水準的音訊品質。穿戴式技術的趨勢是與 AI 及自然語言介面同步發展,因此結合兩者需要更高的整合度以維持保真度。

音訊保真度

音訊保真度的關鍵部分在於放大器的選擇。大多數放大器的性質為線性,包括 A 類、B 類或 AB (請參閱圖 1 以比較三者)。雖然所有線性放大器都能以極小雜訊提供良好的增益,但由於接收器 (人耳) 非常善於分辨兩者的差異,因此訊噪比 (SNR) 在音訊應用中變得更為重要。上述各類放大器在功耗與效能方面各有優缺點,因此需要不同的偏壓類別。

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1aA 類放大器

 

audio headphone amplifier

1bB 類放大器

 

analog headphone amplifier

1cAB 類放大器

 

在目前新出現的應用中,音頻清晰度與功耗方面的效率都非常重要。所有線性放大器都有一定程度的偏壓,以提供良好的線性度,但電源效率較差。例如,A 類放大器使用偏壓單電晶體,即使輸入訊號為零也會導通。B 類放大器使用兩個電晶體,每半個週期一個電晶體,因此理論上,任何時間皆只有一個電晶體導通。如此可提升電源效率,但通常會造成交越失真。而 AB 類放大器藉由稍微改變偏壓,降低交越失真。儘管 AB 類在大多數情況下是理想的折衷方案,但仍僅提供約 80% 的效率,對於某些電池供電及攜帶式應用而言,可能還是不夠理想。

D 類放大器與正規放大器拓撲有極大的差異,其並非線性放大輸入,而是將訊號數位化,轉換為脈波寬度調變 (PWM) 方波以呈現輸入訊號。上述「全開/全關」的方法可提供 90% 以上的高效率,但仍需過濾輸出以恢復訊號的類比成分,這可能會帶來額外的設計困難。儘管如此,由於具備多項設計特點,  PAM8014 免濾波 D 類放大器仍在其領域展現長遠的進步。其提供 3.2 W 單聲道輸出功率及超過 90%的效率,具有高電源供應抑制比與差分設計,可大幅降低雜訊與 RF 反射的影響。

製作更好的 D 類放大器

D 類拓撲通常利用比較器來實現,將輸入訊號與參考訊號進行比較,建立實際的 1-bit ADC;如圖 2 所示,當輸入訊號大於參考訊號時,比較器的輸出為高,當輸入低於參考時,輸出訊號為低。class d amp

2D 類放大器利用比較器將類比訊號轉換為一系列脈衝,建立 PWM 輸出,通常須經由低通濾波器才能恢復類比訊號

輸出被饋送至由兩個或四個切換 FET 組成的切換級。雙 FET 輸出級通常由互補 FET (PNP NPN) 組成,並做為半橋運作。此設計的缺點是即使輸出不變,電流也會通過負載,因為輸出偏壓為 VDD/2。使用全橋輸出級可克服上述問題,全橋實作使用四個由兩個半橋級組成的 FET。如此可在輸出電流中產生雙向擺動,稱為橋接式負載 (BTL)。儘管此種設計使用兩倍數量的 FET,其亦提供顯著的優勢,特別是因為將偏移套用至負載的兩端,從而消除與半橋設計的高靜態電流相關的損耗。圖 3 顯示 PAM8014 D 類放大器的區塊圖,採用全橋 BTL 設計。

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3PAM8014 以全橋 BTL 拓撲為基礎,以極小型封裝提供優異的效能

BTL 拓撲整合至 D 類放大器中需要經過謹慎設計,以在單一整合封裝中達到有效的輸出功率水準。在採用更先進揚聲器技術的音訊應用中,這並不是問題,實際上更為攜帶式及電池供電裝置開創許多新的潛在應用。

無通濾波器

如果 D 類放大器仍需要輸出級通過一個大型且成本可能很高的低通濾波器,則可能會失去上述系統層級的優勢。建構低通濾波器所需的獨立被動元件 (例如大到足以處理輸出功率的電感器),很可能會佔用比放大器本身更多的 PCB 空間,並大幅增加成本。

移除 PWM 輸出中的高頻時,通常需要低通濾波器,是許多應用中不可或缺的部分。低通濾波器所需的額外 PCB 空間與成本可能導致某些應用無法使用 D 類放大器,但實際上這在音訊應用中可能會帶來正面作用。

揚聲器實際上由線圈組成,線圈本質上是具有串聯電阻的電感器,這兩個組件是實現低通濾波器的關鍵。實際上,揚聲器的內建電感器可透過此方式加以利用,然而 BTL 輸出級的設計必須支援無濾波器的設計。這一點很重要,因為若非如此,可能會使電流持續流過揚聲器,這可能導致使用壽命縮短。另外,如果輸出有所偏壓,可能會限制揚聲器的動態範圍。 PAM8014 D 類放大器的 BTL 輸出級設計用於無濾波器運作,因此可避免所有上述缺陷,同時可為音訊應用帶來 D 類運作的優勢。

雖然人耳是天然的高頻濾波器,但也容易接收到各種形式的雜訊。因此優良的 D 類放大器將實作內部反饋,以提供極佳的總諧波失真 + 雜訊 (THD + N) 數值;在此情況下,PAM8014 通常在輸出功率 0.5 W @ 1 kHz 時提供 0.14%

PAM8014 的其他進階功能還包括關斷模式,可將供電電流降至 1 µAPAM8014 也整合了專用電路,可在開啟與關閉時或從關斷模式退出時,大幅減少瞬態可能產生的「啪啪聲與咔嚓聲」。特殊模式可使內部放大器靜音,直到參考電壓穩定為止,藉此達到上述功效;一旦穩定之後,即恢復完全運作模式。其他功能還包括:欠壓鎖定 (UVLO),如果供電壓低於 2.0 V,將使 PAM8014 進入關斷模式;短路保護 (SCP),如果輸出端相互短路或接地,此功能可保護裝置;過熱保護 (OTP),如果晶粒溫度超過 150°C,將使裝置進入關斷模式。

PAM8014 採用 U-WLB1313-9 晶圓級 BGA 封裝 (參閱圖 4),每一邊尺寸皆小於 1.3 mm,即使是極小的裝置也適用。

The PAM8014 is provided in a Wafer-Level BGA package measuring less than 1.3 mm

4PAM8014 採用晶圓級 BGA 封裝,每一邊尺寸皆小於 1.3 mm

PAM8014 的固定增益為 18 dB,效率高達 93%,僅需極少的外部元件,如圖 5 所示。

The PAM8014 requires very few external components, making it ideal for space-con

5PAM8014 僅需極少的外部元件,非常適合空間有限及超低功耗的應用

上述先進功能讓 PAM8014 非常適用於各種應用,包括智慧型手機、VOIPMP4/MP3 播放器,當然還有數位助理。

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