多媒體手機的設計人員現正面臨必須提供多功能且具備高品質音訊的設計挑戰，例如高輸出擴音器模式和擴音器/耳機同步操作等。對於提供用戶音樂和視訊導向的服務而言，這些功能是必須的。為實現這些功能，行動多媒體裝置中的音訊放大器必須具備更高的效率。
線性放大器效率遭詬病 D類放大器取而代之
傳統的A類、B類和AB類放大器為線性放大器。以A類放大器為例，為得到優良的線性表現，其輸出級電晶體必須連續運作，但這將付出龐大的電流消耗代價，且其效率最高不超過25%。在B類放大器中，高側和低側電晶體會交互作用於推拉組態中，這種架構看似可以比A類放大器具備更高效率，但是在實際情況中卻並非如此，且在交叉區域中的非線性運作將造成明顯的訊號失真。AB類放大器使用B類放大器拓撲，但其電晶體由於偏壓操作的緣故，因此總是在線性區域中運作，雖可除去B類放大器的交叉失真，但必須為此額外付出一些功耗作為代價。
整體來說，各種線性放大器的效率通常不會超過20～25%，這意味著只要稍微提升放大器的輸出功率，就會大幅增加功耗。因此，在手機應用中繼續採用線性放大器(主要是AB類放大器)，將導致電池壽命縮短，或是必須使用更大更笨重的電池以提升電池容量，這兩者都是消費者絕對無法接受的。而這正是D類放大器崛起的最主要原因之一。
D類放大器為採用交換式架構的放大器。待放大的音訊訊號會被輸入比較器中，將其與鋸齒波進行比較。其結果便形成一脈衝寬度調變(PWM)方波，其周期和鋸齒波相同，而脈衝寬度則代表音訊訊號的取樣。鋸齒波的頻率設定高出最大音訊訊號頻率許多，然後PWM方波及其逆向波會驅動採用H型橋式電路設計的金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，藉由開關相對的MOSFET以設定一交流電，此交流電代表音訊訊號的方波取樣。由於輸出電晶體會開啟或關閉以操縱電流，因此D類放大器系統中唯一的損耗為MOSFET中導通電阻(RDS(ON))的損耗，以及其他的電阻性損耗，因此該系統的效率相當高。
多功整合挑戰艱鉅
為了滿足日益嚴苛的電池壽命設計需求，高效率已經成為音訊放大器的基本條件。D類放大器以交換式原理運作，而非利用輸出電晶體的線性特性，因此相較於具有同樣輸出功率的AB類放大器，D類放大器的效率大幅提高許多。此外，最新的D類放大器的設計現在可達到相當低的總諧波失真(Total Harmonic Distortion, THD)，已相當於高品質的AB類放大器的效能。
然而，要讓D類放大器實際適用於行動產品仍是相當重大的挑戰。除了輸出濾波設計和交換雜訊的管理等已知問題外，行動裝置受限的體積，使得元件供應商必須提出整合度更高的解決方案，但要在同一晶片上整合高頻交換式放大器，以及其他混合訊號和類比功能，將使得本來就對雜訊較為敏感的類比音訊電路，面臨更嚴重的設計挑戰。
現代行動裝置的有限空間為音訊設計帶來了諸多限制，其中包括D類放大器的運用。尺寸的極度縮減需要高度整合的音訊設計，此需求已促成編解碼器(Codec)、電源管理和擴音器輸出功能的混合訊號整合。
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| 圖1 D類放大器與AB類放大器的效率線性比較圖 |
此種整合層級對於諸如雜訊效能的管理形成相當大的挑戰，而當D類放大器被放進混合訊號電路後，雜訊管理又有了新挑戰。例如，雖然D類輸出濾波器中的交換式雜訊會有所衰減，但還是必須防止其摧毀晶片上類比領域中的音訊訊號路徑。電源供應解耦合在任何的D類設計中是很重要的，即使是交換式噪音並未損及電路運作，而在混合訊號晶片的設計中，其扮演更為重要的角色。
若要實現具有整合型D類輸出級的多媒體編解碼器，全面的雜訊衰減技術是不可或缺的。但在應用設計時，工程師也要特別注意，必須對此一元件提供穩定和乾淨的2.7～3.0伏特類比電源軌，才能確保系統的音訊表現合乎設計預期。
抑制雜訊/功耗 最佳化音訊效能
雜訊管理進一步要注意的是必須採取相關措施，以減輕位於音訊輸出的全球行動通訊系統(GSM)訊號傳輸雜訊的影響。在GSM手機中，射頻功率放大器是以217Hz的間隔運作，進而將數據傳送至網路基地台。這導致音訊路徑非常容易受到217Hz交換頻率的影響，而造成雜音的產生。若在217Hz頻段提高電源拒斥比，則可帶來音訊效能的顯著改善。
外部元件和被浪費的電力也應被降至最低，以符合行動裝置的需求。例如，現今高輸出擴音器通常直接連接至電池以發揮最大的輸出電力。但是當整合了編解碼器、放大器和擴音器驅動功能後，這便產生了其他的問題。
首先，由於數位類比轉換器(DAC)是以低於擴音器的電壓運作，因此訊號必須調整位準才能充分地驅動擴音器。但是仰賴外部元件則會增加材料成本、電路板布局的複雜度以及面積，因此完全在晶片上進行的位準調整較受青睞。
第二，如果設計人員將電池直接連接到擴音器，會增加漏電的可能性，導致電池的電力被快速消耗殆盡。因此，設計人員必須在低漏電設計上花費更多心思，才能延長待機時間。
最後，某些系統設計師可能察覺到特定操作模式中的交換式雜訊問題；例如當手機被做為調頻(FM)收音機使用時。系統設計參數的累積，共同造成了接收端的極度干擾。可動態選擇的D類或AB類放大模式，讓系統設計師擁有極大的彈性，能針對所有可能的使用情境進行音訊效能的最佳化。
高效率/整合趨勢引領未來發展
行動裝置的功能需求決定了產品的設計方向，但是電源管理具有最後的否決權。系統設計師總是一直面臨著龐大的壓力，必須要以更少電力提供更棒的多媒體功能，而這也是D類放大器得進入行動領域的原因。這是一個有效的解決方案，但是需要有良好的音訊和混合訊號的設計技術，如此才能滿足任何行動系統都極力強調的小體積、更少的元件數目以及低漏電的需求。
(本文作者任職於歐勝微電子)