1、前言 耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器面臨新的挑戰(zhàn)
    當(dāng)今消費(fèi)者對(duì)于高端娛樂的需求不斷增長,猶如在使用便攜式設(shè)備(如筆記本電腦等)時(shí)能享受著聆聽音樂、影視劇和新聞的嶄新方式,同時(shí)還要求靈活性更強(qiáng)、品質(zhì)更佳的多功能產(chǎn)品, 以獲得在移動(dòng)或固定使用狀態(tài)下獲得最佳聆聽體驗(yàn).

    據(jù)此,對(duì)音頻設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)是制作設(shè)計(jì)出與ASIC、處理器以及DC-DC轉(zhuǎn)換器共存的高性能、低噪聲模擬電路.而便攜式系統(tǒng)中的低噪聲模擬電路-耳機(jī)放大器實(shí)際為一小型動(dòng)的功率放大器,其輸出功率雖然可能只有≤0.5W,但卻能推動(dòng)低輸入阻抗的負(fù)載并為耳機(jī)提供所需的電源.應(yīng)該說,它是影響典型音頻重放通路中的一個(gè)關(guān)鍵元件.為什么這樣講呢?主要考慮耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器面臨著如下新的挑戰(zhàn):

    *便攜式系統(tǒng)(如筆記本PC)的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出在保持原始信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí),必須用幅值達(dá)1Vrms的信號(hào)驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載(典型值為32Ω或有時(shí)低至16Ω).這個(gè)要求看起來簡單,但進(jìn)一步分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)它所面臨的電源環(huán)境令人煩惱,即在單電源供電時(shí),耳機(jī)輸出必須保持動(dòng)態(tài)范圍,而該電源電壓通常要從DC-DC轉(zhuǎn)換器獲取,并要與高速數(shù)字電路共用,這就帶來苛刻要求.

    *根據(jù)這些耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路的信號(hào)幅值與負(fù)載阻抗,要從DC-DC電源吸取的電流峰值可達(dá)90mA,這無疑將使DC-DC電源產(chǎn)生較大紋波.

    *關(guān)斷電源或耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí),應(yīng)當(dāng)聽不見咔嗒聲與瞬態(tài)雜音,這無疑也將增加技術(shù)措施.

    根據(jù)國際電工委員會(huì)(IEC)的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)高保真(Hi-Fi)耳機(jī)的最低電聲標(biāo)準(zhǔn)有如下規(guī)定見表1所示)

    

    從上述可看出, 要制作出并能嵌入便攜式系統(tǒng)中的能高性能、低噪聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器.實(shí)際上是妥要解決一系列的干擾因素,即電源噪聲、雜音抑制等技術(shù)問題,才能得到實(shí)現(xiàn).

    2、關(guān)于電源噪聲的起因與抑制

    2.1首先分析一下引起電源噪聲原因才能找出抑制的方案.

    *電源的干擾:交流電上那些耗電極大的強(qiáng)功率動(dòng)力裝置便會(huì)產(chǎn)生噪聲干擾;

    *自身產(chǎn)生干擾:便攜式系統(tǒng)自身也是一種產(chǎn)生電磁干擾的干擾源,如筆記本電腦以及任何使用微處理器的便攜式設(shè)備都會(huì)通過各自的電源線向市電電源中加進(jìn)噪聲干擾;

    *便攜式系統(tǒng)還會(huì)通過交流地源的地線將其它便攜式設(shè)備傳送噪聲,這是因?yàn)闊o論是AC變換成DC或DC-DC變換器,其直流電源時(shí)地線上的數(shù)字噪聲便可能會(huì)進(jìn)入前置放大器;又如當(dāng)直流整流電源的電容漏電時(shí), DC-DC上噪聲也會(huì)進(jìn)入地線.

    2.2電源噪聲的抑制方案

    由此看來,為了實(shí)現(xiàn)合理的信噪比,其關(guān)鍵是必須抑制電源噪聲對(duì)耳機(jī)放大器輸出的影響.例如,基于CD或DVD信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍可能超過90dB.假定音頻電源電壓上存在100mV的噪聲,其頻譜成分的絕大部分位于音頻帶寬以內(nèi),為了維持90dB動(dòng)態(tài)范圍,必須將耳機(jī)輸出的噪聲降低至30ΜV左右.為了達(dá)到這一目的,在感興趣的頻率點(diǎn)耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PSRR(電源供應(yīng)抑制比率)必須超過70dB.

    要在音頻頻帶獲得上述電源抑制比,必須采用考慮周全的設(shè)計(jì)方案,使放大器對(duì)音頻范圍內(nèi)的電源噪聲提供一定的抑制能力.瀏覽絕大多數(shù)運(yùn)放的數(shù)據(jù)資料后會(huì)發(fā)現(xiàn),PSRR在接近DC電壓處通常較高,而隨著頻率增加,將急劇下降(通常是-20dB/十倍頻程).在20kHz處,一些器件的PSRR低于40dB.

    一些DC-DC轉(zhuǎn)換器在音頻頻譜的上端產(chǎn)生更高的噪聲成分.盡管可以證實(shí)在那些頻率上聽得到的成分很少,但是仍然可以在耳機(jī)輸出端測(cè)量到噪聲.

    由于絕大多數(shù)耳機(jī)放大器都不能提供足夠的PSRR,為此可以加入外部低壓差穩(wěn)壓器(LDO)來凈化耳機(jī)放大器的電源.如何設(shè)計(jì)或配置出加入外部低壓差穩(wěn)壓器(LDO)呢?

    

    2.21那就是用低功運(yùn)算放大器來構(gòu)成減少音頻紋波電路(見圖1所示)而在便攜式應(yīng)用中(例如移動(dòng)電話和多媒體筆記本電腦中),它為驅(qū)動(dòng)頻音電路提供了純凈的5V電源.大多數(shù)線性穩(wěn)壓器只能抑制高至1000Hz左有的噪聲,若采用傳統(tǒng)的低頻無源濾波器,則體積會(huì)增大使之在便攜式應(yīng)用中不受歡迎,而圖1所示的電路減少音頻紋波達(dá)40dB.

    圖1所示的電路的分析

    圖1所示的電路接受4.5V至6V范圍內(nèi)帶噪聲的VCC,通過由MAX495低功耗運(yùn)算放大器構(gòu)成電路將輸出Vout為0.93*VIN的無噪聲的直流電平Vcc.例如,在輸出電流IOUT為1A時(shí)它可從額定5V的電源產(chǎn)生4.65V,而靜態(tài)電流僅200ΜA.其圖1所示的電路特是是外形非常小:只有一個(gè)S0T23晶體管,—個(gè)ΜMAX(縮小SO-8)運(yùn)故,以及-幾個(gè)無源元件.最大的電容器是10ΜF,電阻可以是0.1W或其表面安裝(SMT)型.

    工作時(shí),該音頻紋波電路起寬帶緩沖電壓跟隨器的作用(不是穩(wěn)壓器),其Vout直流輸出電平比VIN低7%(即為4.65V),R1和R3構(gòu)成分壓器它提供7%的衰減,C4有助于在運(yùn)放反相輸入端形成經(jīng)濾波其幅度為4.65V(VIN*93%)的電壓,運(yùn)放的小輸入偏置電流(典型值為25nA)允許大的R1和R3阻值,還把最大直流誤差限至僅20mV.其結(jié)果是形成了拐角頻率為2Hz,在20Hz頻率下提供20dB衰減的低通濾波器.

    由于運(yùn)放MAX495的共摸輸入范圍擴(kuò)展到電源電壓,所以其非反相輸入端可直接對(duì)輸出電壓取樣.運(yùn)放的電源電壓由R2和C5濾波,提供低的輸出阻抗并在高頻時(shí)對(duì)運(yùn)放具有較好的電源抑制.此濾波器300Hz的向上轉(zhuǎn)移頻率增大了運(yùn)放的PSRR(電源供應(yīng)抑制比率已達(dá)可觀的110dB).

    這就是為了在便攜式設(shè)備(如筆記本電腦)的音頻輸出端獲得足夠的電源噪聲抑制比,用+5V作為通用的音頻電路電源電壓,而特定的節(jié)點(diǎn)通常被調(diào)節(jié)到4.65V-4.7左右.

    2.22另一種應(yīng)用方案是不再需要外部穩(wěn)壓器,而通過對(duì)器件內(nèi)部的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在內(nèi)部進(jìn)行微調(diào)以提高PSRR.此方法遠(yuǎn)高于用其他方法獲得的PSRR,使1kHz時(shí)的PSRR超過100dB.

    值此以超高PSRR立體聲驅(qū)動(dòng)器MAX4298/MAX4299 的IC1為例(見圖2所示)作一說明.

    

    圖2為更佳的16Ω耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器,能提供滿擺幅輸出,并于22KHz處提供>90dB的SRR(電源供應(yīng)抑制比率),不再需要外部穩(wěn)壓器,而是通過內(nèi)置3.3V 100mA的LDO(低壓差穩(wěn)壓器)通對(duì)器件內(nèi)部的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),在內(nèi)部進(jìn)行微調(diào)以提高PSRR,遠(yuǎn)高于用其他方法獲得的PSRR,而較高的PSRR可以保證在嘈雜的數(shù)字電源下提供高品質(zhì)音頻特性見圖3所示PASS(dB)與頻率曲線,即解決了可直接由嘈雜的數(shù)字電源驅(qū)動(dòng)耳機(jī)的技術(shù)問題.該超高PSRR立體聲驅(qū)動(dòng)器也是一種更有效的無咔嗒聲/砰然聲的電路,需注意的是圖2中CAC 220μF交流耦合電容它可阻礙了耳機(jī)的DC電壓,只要用可選的元件(用>100ΜF的鉭電容)就可控制斷電瞬變的幅.(具體分析在下述第3節(jié))

    

    需要說明的是圖2中與MAX4299相連的IC2 CODECM為編解碼器是一種完成雙重功能的設(shè)備,它能把雙路模擬數(shù)據(jù)編碼成數(shù)字信號(hào);也可把雙路數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼成模擬數(shù)據(jù)輸出(LOUT與ROUT),也是本連接所用之功能,即DAC CODECM與MAX4299配合相連成為CODEC/耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案,使MAX4299成為一款集成的咔嗒/砰聲抑制器.

    MAX4299與MAX4298之區(qū)別在于:MAX4299具有內(nèi)置3.3V 100mA的LDO(低壓差穩(wěn)壓器)它可提供一給路純凈的3.3v/100mA輸出用于驅(qū)動(dòng)CODEC;還有內(nèi)置的麥克風(fēng)放大器.若只用MAX4298則無CODEC設(shè)備相連按接與內(nèi)置LDO穩(wěn)壓器,則2路音頻輸入信號(hào)分別通過電阻Rin(10K)與電容(Cin)與MAX4298的IN1與IN2相連即可.

    3、雜音抑制的方案

    3.1雜音的抑制

    所謂雜音抑制,就是在耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器靜音或上電(或斷電)時(shí)出現(xiàn)的突發(fā)性噪音或令人厭煩的瞬態(tài)噪音減小到最小的能力,它是衡量耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器能力的另一指標(biāo).該指標(biāo)很難在輸出驅(qū)動(dòng)器中獲得較好的性能,這是因?yàn)閷?duì)輸出驅(qū)動(dòng)器來說,沒有下游電路可以被靜音,無法將出現(xiàn)的異常信號(hào)屏蔽掉.若插入了耳機(jī),那么無論用什么驅(qū)動(dòng)都不可避免的造成音頻系統(tǒng)的瞬變性能.

    耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常采用單電源供電,并通過大電容CAC(220μF)實(shí)現(xiàn)對(duì)塞孔輸出的AC耦合,如圖2所示.這樣的安排可以防止耳機(jī)兩端出現(xiàn)DC電壓,是因該DC電壓可能破壞耳機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元.在工作過程中,由于電容CAC的耳機(jī)側(cè)是地電勢(shì),而放大器輸出偏置約為滿擺幅的一半,因此隔直電容兩端有電壓,就是滿擺幅的一半.但當(dāng)接通電源時(shí),必須將電容充電至工作電壓Vcc,但是允許流過該電容的電流必然流經(jīng)負(fù)載(耳機(jī)音頻線圈),從帶來上電雜音,這需要抑制.

    3.2雜音抑制的典型配置-高通濾波器的應(yīng)用

    3.21上電雜音抑制

    從圖2中框圖內(nèi)放大器與串聯(lián)電容并與耳機(jī)阻抗一起構(gòu)成的高通濾波器電路就是用于單電源產(chǎn)品中耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型配置,見圖4所示中高通濾波器是為了阻斷來自耳機(jī)的DC電壓所必需的;而串聯(lián)電容量必須>100ΜF并且是鉭電解,以便更好的在耳機(jī)上獲得音頻信號(hào);其耳機(jī)阻抗應(yīng)是對(duì)地為16Ω或32Ω.

    

    當(dāng)然有些設(shè)計(jì)是使用放大器輸出周邊的JFET(連結(jié)式場(chǎng)效應(yīng)管)與分立元件抑制充電電流,有些電路則提供RC時(shí)間常數(shù)減緩導(dǎo)通時(shí)的聲音瞬變,從而通過降低干擾頻率的含量,減少干擾因素.有的采用了背對(duì)背指數(shù)斜坡(S形)技術(shù)進(jìn)一步抑制上電引起的雜音.與RC指數(shù)方法不同的是,這種抑制方式不會(huì)引起dv/dt的突變.

    3.22斷電時(shí)的瞬變雜音抑制

    斷電時(shí)的瞬變更難解決.放大器怎么才能在沒有電源的情況下控制輸出電容的放電?一種方法是為耳機(jī)放大器提供待機(jī)電源,該電源由電源接通時(shí)充滿電的電容VCAC提供,主電源斷電時(shí),該電容還能提供足夠的能量從容地將放大器關(guān)斷.上圖2的MAX4298/4299技術(shù)的集成就技術(shù)的應(yīng)用,它所產(chǎn)生的無咔嗒聲/砰然聲的上電/斷電循環(huán)波形圖示圖5所示.

    

    從圖5這些波形可看出,當(dāng)接通Vcc (t = -1s)和移去VCC (t = 0s)時(shí)對(duì)圖2所示電路的作用.這里沒有給出Vcc.需要注意的是,MAX4298輸出端VOUT(上面的紅曲線)的S形跳變?cè)谪?fù)載(耳機(jī))端產(chǎn)生的輸出干擾(下面的Vspeaker蘭色曲線)有平滑而且是有限的,但受控制的輸出VOUT將導(dǎo)通時(shí)的聲音瞬變限制在較低的電平,則人耳對(duì)其不太敏感.還利用附加元器件IC2或反饋電阻RF(在圖2所示可見)使MAX4298/4299斷電時(shí)的聲音瞬變受到控制,抑制上電的瞬態(tài)噪音.

    3.3關(guān)于斷電時(shí)無咔嗒聲/砰然聲工作過程及輔助VCC引腳(SVCC)的使用的分析.

    從圖2可知,當(dāng)提供VCC時(shí),外部肖特基二極管V1為儲(chǔ)能電容充電,當(dāng)電源移去時(shí),MAX4298/4299的工作過程如下:

    *音頻靜音;

    *立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器還原到低瞬態(tài)電流模式,從SVCC引腳獲取電源;

    *輸出偏置電壓緩慢變化至地,通過鏡像上電波形、采用S形(如圖5中Vout曲線)的模式抑制上電瞬變,消除了dV/dt的突變;

    *儲(chǔ)能電容放電,由于輸出電壓為地,所以當(dāng)SVCC電源最終消失時(shí),輸出音頻的瞬變可以忽略.

    4、新型技術(shù)的使用

    上述方法的不足.用上述方法為了達(dá)到一個(gè)不明確的指標(biāo),需要付出相當(dāng)大的努力(需要在耳機(jī)信號(hào)前端添加額外的線路),而市場(chǎng)對(duì)這樣的特性評(píng)價(jià)不會(huì)很高.理想的方法是完全省去輸出電容,從而消除流經(jīng)耳機(jī)音頻線圈的充電或放電的影響.為耳機(jī)驅(qū)動(dòng)提供直流耦合、0V輸出偏置,并用雙極性電源為放大器供電,就可以省去這些電容.

    4.1新方法之一,使用第三個(gè)放大器

    即使絕大多數(shù)電池供電設(shè)計(jì)都受單端電源的限制,設(shè)計(jì)者還有一些選擇.一種選擇是使用第三個(gè)放大器為耳機(jī)提供滿擺幅一半的偏置,這樣就產(chǎn)生了“偽0V”輸出偏置.由于主立體聲放大器的偏置也是滿擺幅的一半,從而可以省去DC耦合電容.因此,第三個(gè)放大器必須具備從兩個(gè)主放大器吸取并提供電流的能力,并足以處理任何耳機(jī)插頭(塞孔必須與機(jī)殼隔離)插入時(shí)的ESD(靜電釋放)放電.

    4.2新方法之二,利用提供的正電源產(chǎn)生專用的負(fù)電源(見圖6).

    

對(duì)這種方法來說,ESD與接地都不成問題,并且額外的電壓幅度使輸出電壓峰-峰值幾乎翻倍,這對(duì)采用+3V或小于+3V電源供電時(shí),這是很有用的.

    采用MAX4410耳機(jī)放大器不失為理想配置其內(nèi)部特征框圖見圖6所示.之所以采用MAX4410耳機(jī)放大器是具有以下主要特征:

    *為了實(shí)現(xiàn)放大器的雙電源供電,板上電荷泵將正電源電壓反相.不再需要串聯(lián)電容,不過需要為電荷泵提供小的陶瓷電容,陶瓷電容的使用減小了pcb板的面積.

    *MAX4410是一個(gè)專門設(shè)計(jì)的器件,MAX4410 Vcc可在1.8V-3.6V單電源下工作,參照于地的輸出,MAX4410能夠輸出80mW給16Ω負(fù)載,具有極低的0.005%的THD+N(總和諧失真與噪聲),并提供±8KV的ESD保護(hù)和90dB PSRR(電源供應(yīng)抑制比率),無需外部LDO;為14引腳TSSOP型封裝,它在內(nèi)部結(jié)合了一個(gè)立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)從+3V電源產(chǎn)生-3V電源的反相電荷泵.并在內(nèi)部±3v電源的驅(qū)動(dòng)下,MAX4410內(nèi)部的放大器每路輸出(OUTR或OUTL)可提供6Vp-p的擺(振)幅,以及更大的輸出功率.

    *MAX4410耳機(jī)放大器通過正電源引腳產(chǎn)生內(nèi)部負(fù)電源.由于放大器的直流輸出偏置為0V,因此不需要輸出電容.內(nèi)部鎖定電路防止由于過低或上電、斷電過程中的電源電壓引起的偽操作,因此沒有雜音.

    5、結(jié)語

    由上分折可看出便攜式設(shè)備內(nèi)耳機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直接影響音頻高品質(zhì),所以正確靈活的設(shè)計(jì)、配置與使用耳機(jī)驅(qū)動(dòng)電路非常關(guān)鍵.除非數(shù)字輸入耳機(jī)飛速發(fā)展,否則驅(qū)動(dòng)耳機(jī)插孔的電路仍需要采用模擬電路.雖則如今D類各放大器設(shè)計(jì)可以維持?jǐn)?shù)字音頻通路直至放大器輸出的性能,但不盡完美,其PSRR(電源供應(yīng)抑制比率)與雜音抑制仍會(huì)影響系統(tǒng)性能,所以掌握好多種模擬硬件設(shè)計(jì)技術(shù),在相當(dāng)長的一段時(shí)間里具有重要意義.