耳機放大器架構設置全新解決方案一

伴隨DVD、MP3、MP4、智能手機等越來(lái)越多的便攜式音頻設備的出現，這些設備的電路板設計空間越來(lái)越不足?，F今，根據特定功能設計解決方案的尺寸，在預期功能的條件下將需要的組件數量降到最低，顯得越來(lái)越重要。將音頻信號傳輸到耳機，一直以來(lái)都使用DC 阻隔電容，除此之外，其他替代的解決方案，不是有先天的限制，就是過(guò)于簡(jiǎn)單化而不切實(shí)際需求，不被市場(chǎng)認可與接受。

　　本文特別著(zhù)重在耳機放大器架構，除了說(shuō)明其優(yōu)缺點(diǎn)，也介紹全新的解決方案，該解決方案可解決某些耳機放大器架構所造成的問(wèn)題。

　　不同的耳機放大器配置

　　不采用大型 DC 阻隔電容驅動(dòng)耳機的其中一種傳統方法，是將連接器的接地接腳偏移到中軌，也就是 VDD/2 （VBIAS）。由于大多數消費性耳機放大器都是單一供應電源，因此，要達到良好的動(dòng)態(tài)范圍，唯一的方法是以 DC 將音頻偏移到 VDD/2，使信號能擺蕩到接地及 VDD。由于接地接腳連接 VDD/2，因此其中主要的缺點(diǎn)是，只要連接 到Hi-Fi 放大器或以電源驅動(dòng)的喇叭等接地為真實(shí)接地 （亦即 0V） 的外部設備，就會(huì )造成接地回路問(wèn)題，并引發(fā)不必要的噪聲或設計問(wèn)題。

　　圖 1. 含偏移接地套管的輸出單端耳機放大器

　　如圖 1 所示，最傳統的耳機放大器架構是含 DC 阻隔電容的單端放大器。

　　圖 2. 含 DC 阻隔電容的單端耳機放大器

　　從中可看出，耳機驅動(dòng)的輸出偏移到 VDD/2 （VOUT），而音頻從 VDD 擺蕩到接地。其中需要 DC 阻隔電容，才能將移除此偏壓，讓訊號在接地周?chē)行[蕩，也就是在 –VDD/2 至 +VDD/2 之間擺蕩。此架構的優(yōu)點(diǎn)是能夠使用標準的耳機接孔，然而，這類(lèi)方法的主要問(wèn)題在于低頻率響應。耳機阻抗一般是 16Ω 或 32Ω，而輸出電容及耳機喇叭阻抗兩者會(huì )形成高通濾波，其截止頻率為 3dB，如等式 1 所示：

　?。ǖ仁?1）

　　截止頻率必須在耳機的音頻頻帶范圍內，此頻帶會(huì )因制造商的不同而有所差異，但一般的范圍是 20Hz 至 20kHz 之間。為了不使低音頻頻率衰減，高通濾波的截止頻率至少必須大約是 500Hz 以下。

　　將等式 1 改寫(xiě)為等式 2，即得出：

　?。ǖ仁?2）

　　對于 100Hz 的截止頻率及 16Ω 的耳機喇叭阻抗，電容必須是 110μF。對于需要小體積尺寸的情況而言，這會(huì )造成電容值及實(shí)體尺寸過(guò)大，而且使得成本過(guò)高。許多工程人員只能改用 22μF 的較小電容，不過(guò)這會(huì )影響耳機的低頻率傳真度，而導致低音響應不佳。

　　各種執行都有其優(yōu)缺點(diǎn)，不過(guò)，對于需要較佳音頻并避免潛在接地回路問(wèn)題或大型 DC 阻隔電容的設計人員而言，一種稱(chēng)為接地置中或「無(wú)電容」的較新架構開(kāi)始備受矚目。

TPA4411、TPA6130A2 及 TPA6132A2 等由德州儀器提供的接地置中或 DirectPathTM 耳機放大器使用創(chuàng )新的做法來(lái)省卻通常使用的 DC 阻隔輸出電容。其做法并非將音頻偏移至裝置內的 VDD/2，而是整合了一顆電荷泵并提供一組負電源軌，進(jìn)而讓耳機放大器在正電源軌 （VDD） 與負電源電壓 （VSS） 之間擺蕩。這完全不需要任何偏移，因此不再需要輸出的高通濾波。這能夠讓耳機喇叭播放整個(gè)音頻頻帶，提供更好的音質(zhì)。

　　圖 3. 含整合式電荷泵的接地置中 DirectPathTM 耳機放大器

　　圖 4 顯示該高通濾波器的頻率響應如何隨著(zhù)不同的 DC 阻隔電容產(chǎn)生變化。對于 16Ω 的固定負載阻抗，只要改變輸出 DC 阻隔電容，截止頻率便會(huì )隨之變動(dòng)。結果是當電容值減小，截止頻率就會(huì )提高，而且越少音頻低音內容能被傳輸到耳機喇叭。

　　圖 4. 輸出頻率響應比較

　　這種做法看起來(lái)很理想，不過(guò)，由于整合式電荷泵的低效運作，相較于含偏移接地套管或大型 DC 阻隔電容的傳統耳機放大器，接地置中耳機放大器會(huì )耗用較多的電源，而略微縮短系統的電池使用時(shí)間。為解決這個(gè)問(wèn)題的創(chuàng )新做法是使用改良的 Class-G技術(shù)。

　　Class-G 技術(shù)

　　在 AB 類(lèi)放大器的接地置中架構做法中，放大器總是以最高電源電壓運作，這表示，對于音頻的無(wú)噪聲階段而言，整個(gè)輸出 FET 的電壓降幅相當大。以鋰離子電池為例，一般的電池電壓范圍是 3.0V 至 4.2V。假設電池供應 3.6V 的電壓，圖 5 的紅色箭頭表示播放輸出音頻時(shí)整個(gè)輸出 FET 的電壓降幅。

　　圖 5. AB 類(lèi)接地置中耳機放大器運作

　　假設放大器的靜態(tài)電流相較于流向負載的電流來(lái)說(shuō)非常地小，即可推算電池電流與輸出電流呈正比。

　?。ǖ仁?3）

　　圖 6 顯示 AB 類(lèi)接地置中耳機簡(jiǎn)易示意圖。隨著(zhù)音頻的變化，整個(gè)輸出 FET 的電壓降幅也會(huì )變動(dòng)。裝置的功率損耗是電壓降幅乘以電池電流 （IBATT） 所得的乘積。