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自然语言就是新一代的用户接口

Diodes 公司欧洲应用经理 Colin Davies

高带宽因特网联机、深度学习算法及高质量音频的完美结合,为用户接口带来全新典范,那就是语音。透过自然语言与家电及云端服务进行互动的能力,是人机互动方式的巨大变革。

目前的数字助理看来像是达到现今技术的巅峰,但实际上只是新世代用户接口的起点。语音识别是一项已存在多年的技术,例如现在已有许多软件套件可将语音转换为文字。不同之处在于软件解译文字的方式。目前为止,软件只是单纯转播文字到屏幕上,但最近机器似乎能理解意图及词汇。这种人工智能技术将在未来几年内普及,这代表能更容易取得技术,并整合至日常用品中。

制造商未来将面临的挑战,是如何为更小的电子装置加入高水平的音频质量。穿戴式技术的趋势是与 AI 及自然语言接口同步发展,因此结合两者需要更高的整合度以维持保真度。

音讯保真度

音讯保真度的关键部分在于放大器的选择。大多数放大器的性质为线性,包括 A 类、B 类或 AB (请参阅图 1 以比较三者)。虽然所有线性放大器都能以最小噪声提供良好的增益,但由于接收器 (人耳) 非常善于分辨两者的差异,因此讯噪比 (SNR) 在音讯应用中变得更为重要。上述各类放大器在功耗与效能方面各有优缺点,因此需要不同的偏压类别。

class d audio

1aA 类放大器

 

audio headphone amplifier

1bB 类放大器

 

analog headphone amplifier

1cAB 类放大器

 

在目前新出现的应用中,音频清晰度与功耗方面的效率都非常重要。所有线性放大器都有一定程度的偏压,以提供良好的线性度,但电源效率较差。例如,A 类放大器使用偏压单晶体管,即使输入讯号为零也会导通。B 类放大器使用两个晶体管,每半个周期一个晶体管,因此理论上,任何时间皆只有一个晶体管导通。如此可提升电源效率,但通常会造成交越失真。而 AB 类放大器藉由稍微改变偏压,降低交越失真。尽管 AB 类在大多数情况下是理想的折衷方案,但仍仅提供约 80% 的效率,对于某些电池供电及携带式应用而言,可能还是不够理想。

D 类放大器与正规放大器拓扑有极大的差异,其并非线性放大输入,而是将讯号数字化,转换为脉波宽度调变 (PWM) 方波以呈现输入讯号。上述「全开/全关」的方法可提供 90% 以上的高效率,但仍需过滤输出以恢复讯号的模拟成分,这可能会带来额外的设计困难。尽管如此,由于具备多项设计特点, PAM8014免滤波 D 类放大器仍在其领域展现长远的进步。其提供 3.2 W 单声道输出功率及超过 90%的效率,具有高电源供应抑制比与差分设计,可大幅降低噪声与 RF 反射的影响。

制作更好的 D 类放大器

D 类拓扑通常利用比较器来实现,将输入讯号与参考讯号进行比较,建立实际的 1-bit ADC;如图 2 所示,当输入讯号大于参考讯号时,比较器的输出为高,当输入低于参考时,输出讯号为低。

class d amp

2D 类放大器利用比较器将模拟讯号转换为一系列脉冲,建立 PWM 输出,通常须经由低通滤波器才能恢复模拟讯号

输出被馈送至由两个或四个切换 FET 组成的切换级。双 FET 输出级通常由互补 FET (PNP NPN) 组成,并做为半桥运作。此设计的缺点是即使输出不变,电流也会通过负载,因为输出偏压为 VDD/2。使用全桥输出级可克服上述问题,全桥实作使用四个由两个半桥级组成的 FET。如此可在输出电流中产生双向摆动,称为桥接式负载 (BTL)。尽管此种设计使用两倍数量的 FET,其亦提供显著的优势,特别是因为将偏移套用至负载的两端,从而消除与半桥设计的高静态电流相关的损耗。图 3 显示 PAM8014 D 类放大器的区块图,采用全桥 BTL 设计。

class d amp

3PAM8014 以全桥 BTL 拓扑为基础,以极小型封装提供优异的效能

BTL 拓扑整合至 D 类放大器中需要经过谨慎设计,以在单一整合封装中达到有效的输出功率水平。在采用更先进扬声器技术的音讯应用中,这并不是问题,实际上更为携带式及电池供电装置开创许多新的潜在应用。

无通滤波器

如果 D 类放大器仍需要输出级通过一个大型且成本可能很高的低通滤波器,则可能会失去上述系统层级的优势。建构低通滤波器所需的独立被动组件 (例如大到足以处理输出功率的电感器),很可能会占用比放大器本身更多的 PCB 空间,并大幅增加成本。

移除 PWM 输出中的高频时,通常需要低通滤波器,是许多应用中不可或缺的部分。低通滤波器所需的额外 PCB 空间与成本可能导致某些应用无法使用 D 类放大器,但实际上这在音讯应用中可能会带来正面作用。

扬声器实际上由线圈组成,线圈本质上是具有串联电阻的电感器,这两个组件是实现低通滤波器的关键。实际上,扬声器的内建电感器可透过此方式加以利用,然而 BTL 输出级的设计必须支持无滤波器的设计。这一点很重要,因为若非如此,可能会使电流持续流过扬声器,这可能导致使用寿命缩短。另外,如果输出有所偏压,可能会限制扬声器的动态范围。PAM8014 D 类放大器的 BTL 输出级设计用于无滤波器运作,因此可避免所有上述缺陷,同时可为音讯应用带来 D 类运作的优势。

虽然人耳是天然的高频滤波器,但也容易接收到各种形式的噪声。因此优良的 D 类放大器将实作内部反馈,以提供最佳的总谐波失真 + 噪声 (THD + N) 数值;在此情况下,PAM8014 通常在输出功率 0.5 W @ 1 kHz 时提供 0.14%。

PAM8014 的其他进阶功能还包括关断模式,最多可将供电电流降至 1 µA。PAM8014 也整合了专用电路,可在开启与关闭时或从关断模式退出时,大幅减少瞬态可能产生的「啪啪声与咔嚓声」。特殊模式可使内部放大器静音,直到参考电压稳定为止,藉此达到上述功效;一旦稳定之后,即恢复完全运作模式。其他功能还包括:欠压锁定 (UVLO),如果供电压低于 2.0 V,将使 PAM8014 进入关断模式;短路保护 (SCP),如果输出端相互短路或接地,此功能可保护装置;过热保护 (OTP),如果晶粒温度超过 150°C,将使装置进入关断模式。

PAM8014 采用 U-WLB1313-9 晶圆级 BGA 封装 (参阅图 4),每一边尺寸皆小于 1.3 mm,即使是最小的装置也适用。

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

4PAM8014 采用晶圆级 BGA 封装,每一边尺寸皆小于 1.3 mm

PAM8014 的固定增益为 18 dB,效率高达 93%,仅需最少的外部组件,如图 5 所示。 

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

5PAM8014 仅需极少的外部组件,非常适合空间有限及超低功耗的应用

上述先进功能让 PAM8014 非常适用于各种应用,包括智能型手机、VOIPMP4/MP3 播放器,当然还有数字助理。

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