耳机放大器架构设置全新解决方案(一)

伴随DVD、MP3、MP4、智能手机等越来越多的便携式音频设备的出现，这些设备的电路板设计空间越来越不足。现今，根据特定功能设计解决方案的尺寸，在预期功能的条件下将需要的组件数量降到最低，显得越来越重要。将音频信号传输到耳机，一直以来都使用DC 阻隔电容，除此之外，其他替代的解决方案，不是有先天的限制，就是过于简单化而不切实际需求，不被市场认可与接受。

　　本文特别着重在耳机放大器架构，除了说明其优缺点，也介绍全新的解决方案，该解决方案可解决某些耳机放大器架构所造成的问题。

　　不同的耳机放大器配置

　　不采用大型 DC 阻隔电容驱动耳机的其中一种传统方法，是将连接器的接地接脚偏移到中轨，也就是 VDD/2 （VBIAS）。由于大多数消费性耳机放大器都是单一供应电源，因此，要达到良好的动态范围，唯一的方法是以 DC 将音频偏移到 VDD/2，使信号能摆荡到接地及 VDD。由于接地接脚连接 VDD/2，因此其中主要的缺点是，只要连接 到Hi-Fi 放大器或以电源驱动的喇叭等接地为真实接地 （亦即 0V） 的外部设备，就会造成接地回路问题，并引发不必要的噪声或设计问题。

　　图 1. 含偏移接地套管的输出单端耳机放大器

　　如图 1 所示，最传统的耳机放大器架构是含 DC 阻隔电容的单端放大器。

　　图 2. 含 DC 阻隔电容的单端耳机放大器

　　从中可看出，耳机驱动的输出偏移到 VDD/2 （VOUT），而音频从 VDD 摆荡到接地。其中需要 DC 阻隔电容，才能将移除此偏压，让讯号在接地周围有效摆荡，也就是在 –VDD/2 至 +VDD/2 之间摆荡。此架构的优点是能够使用标准的耳机接孔，然而，这类方法的主要问题在于低频率响应。耳机阻抗一般是 16Ω 或 32Ω，而输出电容及耳机喇叭阻抗两者会形成高通滤波，其截止频率为 3dB，如等式 1 所示：

　　（等式 1）

　　截止频率必须在耳机的音频频带范围内，此频带会因制造商的不同而有所差异，但一般的范围是 20Hz 至 20kHz 之间。为了不使低音频频率衰减，高通滤波的截止频率至少必须大约是 500Hz 以下。

　　将等式 1 改写为等式 2，即得出：

　　（等式 2）

　　对于 100Hz 的截止频率及 16Ω 的耳机喇叭阻抗，电容必须是 110μF。对于需要小体积尺寸的情况而言，这会造成电容值及实体尺寸过大，而且使得成本过高。许多工程人员只能改用 22μF 的较小电容，不过这会影响耳机的低频率传真度，而导致低音响应不佳。

　　各种执行都有其优缺点，不过，对于需要较佳音频并避免潜在接地回路问题或大型 DC 阻隔电容的设计人员而言，一种称为接地置中或「无电容」的较新架构开始备受瞩目。

TPA4411、TPA6130A2 及 TPA6132A2 等由德州仪器提供的接地置中或 DirectPathTM 耳机放大器使用创新的做法来省却通常使用的 DC 阻隔输出电容。其做法并非将音频偏移至装置内的 VDD/2，而是整合了一颗电荷泵并提供一组负电源轨，进而让耳机放大器在正电源轨 （VDD） 与负电源电压 （VSS） 之间摆荡。这完全不需要任何偏移，因此不再需要输出的高通滤波。这能够让耳机喇叭播放整个音频频带，提供更好的音质。

　　图 3. 含整合式电荷泵的接地置中 DirectPathTM 耳机放大器

　　图 4 显示该高通滤波器的频率响应如何随着不同的 DC 阻隔电容产生变化。对于 16Ω 的固定负载阻抗，只要改变输出 DC 阻隔电容，截止频率便会随之变动。结果是当电容值减小，截止频率就会提高，而且越少音频低音内容能被传输到耳机喇叭。

　　图 4. 输出频率响应比较

　　这种做法看起来很理想，不过，由于整合式电荷泵的低效运作，相较于含偏移接地套管或大型 DC 阻隔电容的传统耳机放大器，接地置中耳机放大器会耗用较多的电源，而略微缩短系统的电池使用时间。为解决这个问题的创新做法是使用改良的 Class-G技术。

　　Class-G 技术

　　在 AB 类放大器的接地置中架构做法中，放大器总是以最高电源电压运作，这表示，对于音频的无噪声阶段而言，整个输出 FET 的电压降幅相当大。以锂离子电池为例，一般的电池电压范围是 3.0V 至 4.2V。假设电池供应 3.6V 的电压，图 5 的红色箭头表示播放输出音频时整个输出 FET 的电压降幅。

　　图 5. AB 类接地置中耳机放大器运作

　　假设放大器的静态电流相较于流向负载的电流来说非常地小，即可推算电池电流与输出电流呈正比。

　　（等式 3）

　　图 6 显示 AB 类接地置中耳机简易示意图。随着音频的变化，整个输出 FET 的电压降幅也会变动。装置的功率损耗是电压降幅乘以电池电流 （IBATT） 所得的乘积。