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 類 (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。
圖 1a：A 類放大器
圖 1b：B 類放大器
圖 1c：AB 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。
圖 2：D 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 與 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。
圖 3：PAM8014 以全橋 BTL 拓撲為基礎，以極小型封裝提供優異的效能
將 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 µA。PAM8014 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。
圖 4：PAM8014 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。
圖 5：PAM8014 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、VOIP、MP4/MP3 播放器，當然還有數位助理。
