傳統的耳機放大器

大多數電池供電的電子產(chǎn)品中所采用的傳統的耳機放大器都是采用單電源供電，信號擺幅介于正電壓和地電平之間。這種設計的結果使放大器只能通過(guò)正電壓信號。然而，音頻信號通常是正負變化的。因此傳統的單電源放大器在接受音頻信號以前，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)現最大信號擺幅(圖1)。


圖1. 傳統的輸出波形

雖然直流偏壓對于放大電路來(lái)說(shuō)是必需的，但揚聲器卻要求信號不帶直流偏壓。當揚聲器上接入了直流偏壓時(shí)，揚聲器振盆將由其中間平衡點(diǎn)向最大偏移點(diǎn)一側偏移。這意味著(zhù)揚聲器在不失真的情況下將無(wú)法產(chǎn)生太大的聲壓。直流電平同時(shí)還會(huì )在揚聲器線(xiàn)圈中引入直流損耗，從而增加了功耗并使揚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 )永久損壞揚聲器。

為實(shí)現揚聲器與直流偏壓的隔離，通常需要使用隔直電容。這一電容與大多數情況下連接的阻性負載一起構成了高通濾波器。由于典型的耳機負載等效為一個(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(guò)3dB。如果采用16Ω的耳機，則最小需要500µF的隔直電容。雖然有些系統有足夠的空間可以采用這類(lèi)大尺寸的廉價(jià)鋁電解電容，但大多數便攜式設備還是沒(méi)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省空間，但即便是采用這類(lèi)電容仍需占用很大的電路板空間。因此，經(jīng)常使用小電容以節省空間和成本，但這是以犧牲20Hz的平坦頻率響應為代價(jià)。圖2給出了采用不同標準尺寸的電容所對應的頻率響應。


圖2. 傳統的耳機放大器的頻率響應(16Ω負載)

DirectDrive技術(shù)

DirectDrive耳機放大器無(wú)需直流偏壓，從而省去了輸出端所需要的隔直電容。盡管DirectDrive耳機放大器仍然采用單電源供電，但放大器卻可以處理正負信號。片上電荷泵可產(chǎn)生與正電壓相同擺幅的負電壓，從而允許接受負信號。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規格。這與傳統耳機放大器所采用220µF輸出電容相比，大大節省了空間，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，大大節省了空間

DirectDrive優(yōu)勢

1. 雜音抑制
   DirectDrive技術(shù)的一個(gè)最顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)在于大大降低了雜音。在傳統的耳機放大器中，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(guò)程中電流流經(jīng)耳機，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(lái)源。
   
   
   圖5. 數據顯示在兩類(lèi)放大器中的雜音：a) 傳統的耳機放大器，b) DirectDrive耳機放大器
   
   
2. 更好的低音性能
   由隔直電容和阻性耳機負載形成的高通濾波器同樣會(huì )影響音效。在大多數系統中，不可能采用同一電容實(shí)現從20Hz到20kHz整個(gè)范圍內的頻率響應。為了節省空間和成本，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)而降低了系統的低音性能。如果使用16Ω的耳機，對低音性能的影響將更大。典型的系統通常是針對32Ω的耳機設計；當連接16Ω的耳機時(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定轉角頻率。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。
   
   
3. 低電壓工作
   DirectDrive技術(shù)允許耳機放大器直接采用系統中主要數字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，從而提高了耳機放大器的效率。過(guò)去常采用3.3V甚至2.5V的電源，現在1.8V的電源正逐步取代上述電源。對于傳統的耳機放大器，在1.8V電源下理論上只能輸出10mW輸出功率(32Ω負載)。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40mW的功率。因此使工作在現代系統中放大器在保證效率的基礎上，同時(shí)仍產(chǎn)生足夠的聲強。
   
   
4. 2V_RMS線(xiàn)路輸出放大器
   DirectDrive技術(shù)用于需要2V_RMS音頻輸出的系統中，可以實(shí)現電源倍壓，這是其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這類(lèi)系統通常具有5V電源。但是采用5V供電的標準放大器通常無(wú)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(guò)2V_RMS的輸出。
   
   
5. 減小失真
   最后，傳統的耳機放大器中使用的輸出電容會(huì )使低頻音頻信號產(chǎn)生明顯的失真。在低頻拐點(diǎn)附近，電容的電壓系數將變?yōu)榉蔷�(xiàn)性，并同時(shí)會(huì )引起音頻信號的失真。在某些場(chǎng)合下，失真最高可達1%，能夠被聽(tīng)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

結論