放大其所不能：頭戴式耳機(jī)到底需要多大功率（1）

這篇博文由Bharath Vasan和我共同撰寫(xiě)。

當(dāng)我們打算為頭戴式耳機(jī)應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)運(yùn)算放大器時(shí)（最后選用的是OPA1622運(yùn)算放大器），我們需要解決的第一個(gè)問(wèn)題就是確定頭戴式耳機(jī)需要的功率。

將頭戴式耳機(jī)和揚(yáng)聲器想象為把輸入電氣功率轉(zhuǎn)換為可聞?shì)敵龉β实淖儞Q器。與所有處理相類似，這個(gè)將電聲轉(zhuǎn)換過(guò)程具有一個(gè)與之相關(guān)的效率問(wèn)題。正如你有可能已經(jīng)想到的那樣，不同頭戴式耳機(jī)類型的效率也是不一樣的?？偟恼f(shuō)來(lái)，包耳式耳機(jī)的效率要低于入耳式耳機(jī)。

頭戴式耳機(jī)廠商通常以特定輸入功率下（通常為1mW）的聲壓級(jí)（[SPL]，單位為分貝）來(lái)表示他們產(chǎn)品的效率。例如，一個(gè)耳機(jī)廠商也許將他們耳機(jī)的效率標(biāo)明為100dB/wM，你應(yīng)該將這個(gè)值讀為“1mW時(shí)為100dB”。通過(guò)使用廠商給出的基準(zhǔn)效率，你能夠用方程式1計(jì)算出其它功率級(jí)別下產(chǎn)生的SPL：

在方程式1中，P_IN 代表到耳機(jī)的輸入功率，而η為1mW基準(zhǔn)功率級(jí)別下的效率。圖1顯示的是，對(duì)于一定范圍內(nèi)的常見(jiàn)耳機(jī)效率，在輸入功率不斷增加時(shí)，提供的輸出SPL。

圖1：對(duì)于不同耳機(jī)效率，產(chǎn)生的SPL與輸入功率之間的關(guān)系

方程式1和圖1中的曲線還包括一個(gè)假設(shè)，那就是耳機(jī)內(nèi)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行方式是線性的。當(dāng)然，你不能一直增加耳機(jī)的輸入功率，并且希望輸出SPL不斷地增加（可千萬(wàn)不要這么干）。在高輸入功率下，驅(qū)動(dòng)器本身內(nèi)的非線性效應(yīng)將會(huì)限制最大SPL。

一旦你已經(jīng)建立起來(lái)了一個(gè)SPL目標(biāo)，確定信號(hào)電平就只需要某些基本電氣工程方程式了（方程式2和方程式3）：

這兩個(gè)方程式均包含標(biāo)稱耳機(jī)阻抗，R_HP，它也由耳機(jī)廠商指定。為便攜式電子設(shè)備設(shè)計(jì)的耳機(jī)具有低阻抗（低至16Ω），這是因?yàn)槎鷻C(jī)上的低壓信號(hào)將仍能提供足夠的功率。對(duì)于那些非便攜式應(yīng)用中使用的耳機(jī)，比如說(shuō)專業(yè)錄音工作室中用到的耳機(jī)，它們的阻抗最高有可能達(dá)到600Ω。

讓我們將所有這些信息應(yīng)用于一個(gè)設(shè)計(jì)示例，針對(duì)一對(duì)常見(jiàn)的平板磁性包耳式耳機(jī)，計(jì)算出達(dá)到一個(gè)特定SPL所需要的信號(hào)電壓和電流。

表2：針對(duì)設(shè)計(jì)示例的技術(shù)規(guī)格目標(biāo)值

使用方程式1或圖1，首先確定達(dá)到SPL目標(biāo)值所需的輸入功率：

下一步，計(jì)算將這個(gè)功率量提供給耳機(jī)所需要的電壓和電流：

在這個(gè)示例中，低阻抗耳機(jī)與低效率和非常響亮的最大SPL目標(biāo)值之間的組合使我們的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到了OPA1622設(shè)計(jì)中所面臨的挑戰(zhàn)。很明顯，我們的放大器需要給某些耳機(jī)傳送的電流量將是十分巨大的（以運(yùn)算放大器標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量的話）。在這一前提下，我們將注意力轉(zhuǎn)向了OPA1622的輸出電路。在不產(chǎn)生失真的情況下，這個(gè)電路需要能夠傳送大量電流。

在這個(gè)系列的后三篇文章中，我們將仔細(xì)看一看在耳機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中遇到的其它難題，以及我們是如何在OPA1622的設(shè)計(jì)中克服它們的。

其它資源

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