傳統(tǒng)的耳機(jī)放大器

大多數(shù)電池供電的電子產(chǎn)品中所采用的傳統(tǒng)的耳機(jī)放大器都是采用單電源供電，信號(hào)擺幅介于正電壓和地電平之間。這種設(shè)計(jì)的結(jié)果使放大器只能通過正電壓信號(hào)。然而，音頻信號(hào)通常是正負(fù)變化的。因此傳統(tǒng)的單電源放大器在接受音頻信號(hào)以前，需要加入直流偏壓。這個(gè)直流偏壓通常是供電電壓的一半，以實(shí)現(xiàn)最大信號(hào)擺幅(圖1)。


圖1. 傳統(tǒng)的輸出波形

雖然直流偏壓對于放大電路來說是必需的，但揚(yáng)聲器卻要求信號(hào)不帶直流偏壓。當(dāng)揚(yáng)聲器上接入了直流偏壓時(shí)，揚(yáng)聲器振盆將由其中間平衡點(diǎn)向最大偏移點(diǎn)一側(cè)偏移。這意味著揚(yáng)聲器在不失真的情況下將無法產(chǎn)生太大的聲壓。直流電平同時(shí)還會(huì)在揚(yáng)聲器線圈中引入直流損耗，從而增加了功耗并使揚(yáng)聲器造成不必要的發(fā)熱。在極端情況下，這樣的發(fā)熱可能會(huì)永久損壞揚(yáng)聲器。

為實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器與直流偏壓的隔離，通常需要使用隔直電容。這一電容與大多數(shù)情況下連接的阻性負(fù)載一起構(gòu)成了高通濾波器。由于典型的耳機(jī)負(fù)載等效為一個(gè)32Ω的電阻，電容容值必須足夠大，以避免濾除音頻帶寬中的有用部分。假如有效帶寬下限為20Hz，必須采用最小250µF的電容，以確保在20Hz處的衰減最大不超過3dB。如果采用16Ω的耳機(jī)，則最小需要500µF的隔直電容。雖然有些系統(tǒng)有足夠的空間可以采用這類大尺寸的廉價(jià)鋁電解電容，但大多數(shù)便攜式設(shè)備還是沒有足夠的空間容納這么大電容。對于后者，必須使用比較昂貴的鉭電容以節(jié)省空間，但即便是采用這類電容仍需占用很大的電路板空間。因此，經(jīng)常使用小電容以節(jié)省空間和成本，但這是以犧牲20Hz的平坦頻率響應(yīng)為代價(jià)。圖2給出了采用不同標(biāo)準(zhǔn)尺寸的電容所對應(yīng)的頻率響應(yīng)。


圖2. 傳統(tǒng)的耳機(jī)放大器的頻率響應(yīng)(16Ω負(fù)載)

DirectDrive技術(shù)

DirectDrive耳機(jī)放大器無需直流偏壓，從而省去了輸出端所需要的隔直電容。盡管DirectDrive耳機(jī)放大器仍然采用單電源供電，但放大器卻可以處理正負(fù)信號(hào)。片上電荷泵可產(chǎn)生與正電壓相同擺幅的負(fù)電壓，從而允許接受負(fù)信號(hào)。由于可提供雙電源，使放大器不再工作在單電源供電下。如圖3所示，運(yùn)放將被偏置到地電平。


圖3. 采用DirectDrive技術(shù)的放大器輸出波形

DirectDrive所采用的電荷泵只需要兩個(gè)小尺寸陶瓷電容：一個(gè)飛電容以及一個(gè)保持電容。這兩個(gè)電容的典型值是1µF，最小可采用0402規(guī)格。這與傳統(tǒng)耳機(jī)放大器所采用220µF輸出電容相比，大大節(jié)省了空間，并且具有更加優(yōu)異的性能(圖4)。


圖4. a) 兩個(gè)1µF電荷泵電容相比b) 兩個(gè)220µF輸出耦合電容，大大節(jié)省了空間

DirectDrive優(yōu)勢

很明顯，DirectDrive免去了傳統(tǒng)的耳機(jī)放大器所需要的輸出耦合電容，在整體解決方案尺寸和成本上具有很顯著的優(yōu)勢。同時(shí)，DirectDrive技術(shù)還具有其他很多優(yōu)點(diǎn)。

雜音抑制
DirectDrive技術(shù)的一個(gè)最顯著優(yōu)點(diǎn)在于大大降低了雜音。在傳統(tǒng)的耳機(jī)放大器中，每次放大器使能時(shí)，都要對輸出電容進(jìn)行充電，關(guān)閉時(shí)要進(jìn)行放電。這一充/放電過程中電流流經(jīng)耳機(jī)，從而產(chǎn)生了比較明顯的啪噗聲(圖5)。DirectDrive省去了電容，從而消除了產(chǎn)生雜音的主要來源。


圖5. 數(shù)據(jù)顯示在兩類放大器中的雜音：a) 傳統(tǒng)的耳機(jī)放大器，b) DirectDrive耳機(jī)放大器
更好的低音性能
由隔直電容和阻性耳機(jī)負(fù)載形成的高通濾波器同樣會(huì)影響音效。在大多數(shù)系統(tǒng)中，不可能采用同一電容實(shí)現(xiàn)從20Hz到20kHz整個(gè)范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)。為了節(jié)省空間和成本，常使用比理想電容小點(diǎn)的電容，從而提高了低頻滾降點(diǎn)，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的低音性能。如果使用16Ω的耳機(jī)，對低音性能的影響將更大。典型的系統(tǒng)通常是針對32Ω的耳機(jī)設(shè)計(jì)；當(dāng)連接16Ω的耳機(jī)時(shí)，低頻截止頻率會(huì)增大兩倍，將進(jìn)一步減少低音頻率。

然而，采用DirectDrive技術(shù)，將完全免去高通濾波器，因而可以使用輸入耦合電容設(shè)定轉(zhuǎn)角頻率。由于放大器的輸入阻抗通常大于10kΩ，因此只需要采用1µF甚者更小的電容就可以確保整個(gè)音頻帶寬。
低電壓工作
DirectDrive技術(shù)允許耳機(jī)放大器直接采用系統(tǒng)中主要數(shù)字IC所使用的電源供電。由于工作在比電池電壓更低的電源下，從而提高了耳機(jī)放大器的效率。過去常采用3.3V甚至2.5V的電源，現(xiàn)在1.8V的電源正逐步取代上述電源。對于傳統(tǒng)的耳機(jī)放大器，在1.8V電源下理論上只能輸出10mW輸出功率(32Ω負(fù)載)。然而，對于DirectDrive放大器，由于電源電壓翻倍，因而在同樣的供電電壓下可輸出高達(dá)40mW的功率。因此使工作在現(xiàn)代系統(tǒng)中放大器在保證效率的基礎(chǔ)上，同時(shí)仍產(chǎn)生足夠的聲強(qiáng)。
2V_RMS線路輸出放大器
DirectDrive技術(shù)用于需要2V_RMS音頻輸出的系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)電源倍壓，這是其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這類系統(tǒng)通常具有5V電源。但是采用5V供電的標(biāo)準(zhǔn)放大器通常無法輸出2V_RMS；因此為了提供2V_RMS的輸出，需要采用更高電源。采用DirectDrive技術(shù)，由于已經(jīng)在片上將電源倍壓，因此在5V供電的條件下就有可能提供超過2V_RMS的輸出。
減小失真
最后，傳統(tǒng)的耳機(jī)放大器中使用的輸出電容會(huì)使低頻音頻信號(hào)產(chǎn)生明顯的失真。在低頻拐點(diǎn)附近，電容的電壓系數(shù)將變?yōu)榉蔷€性，并同時(shí)會(huì)引起音頻信號(hào)的失真。在某些場合下，失真最高可達(dá)1%，能夠被聽到并且測量到(圖6)。DirectDrive免去了耦合電容，從而消除了失真源。


圖6. 輸出耦合電容引起的失真

結(jié)論

DirectDrive耳機(jī)放大器相比傳統(tǒng)的單電源耳機(jī)放大器有很多改進(jìn)。該技術(shù)減小了方案的尺寸，節(jié)省了成本，并且改善了音質(zhì)，而其代價(jià)僅僅是稍稍增大了芯片的尺寸。

¹專利號(hào)：7,061,327