耳機驅動電路的問題深入探討，并給出解決方案

如今在連接耳機放大器時經(jīng)常聽到“零電容”或“無電容”這類炫耀式的強調(diào)說法。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了幾種這類的解決方案，都是頗為激進地基于幾種不同的技術。這幾種解決方案的優(yōu)缺點并非總是那么明顯-頗具諷刺意義的是，相對于過去的傳統(tǒng)電路，某些最具吸引力的解決方案實際上還需要更多的電容器，但卻在某些方面卻具有優(yōu)勢，如功耗，爆破音抑制和啟動時間等。本文將就這些問題進行深入的探討，并給出解決方案的合理選擇。

1.使用電容器的問題

圖1所示為一個傳統(tǒng)的耳機驅動電路。其左聲道和右聲道輸出放大器采用一個單電源VDD，而其輸出端的直流電壓位于電源軌的中點，即VDD/2。為了消除該直流電壓，在放大器后面插入了兩只電容器。

圖1：傳統(tǒng)的耳機驅動電路。

通常使用電解電容或鉭電容，而常見的電容值則為220μF。電路對低頻信號的頻率響應由這兩只電容器的容值和耳機的阻抗共同決定，而低于截止頻率fc的音調(diào)被衰減。對于220μF的電容值來說，當采用的耳機阻抗為16歐姆時，電路的截止頻率為45Hz，而當所用耳機的阻抗為32歐姆時，該截止頻率則降到22.5Hz。不期望采用低于220μF的電容值，因為這將提到電路的低頻截止頻率，導致低音部分的損耗，這是一個難題，即便是采用目前最先進的信號處理技術，該損耗也只能是得到部分補償校正。

雖然電容器制造技術也在不斷地提升和改進，但仍落后于由于摩爾定律所導致的消費電子體積快速減小和成本快速降低的步調(diào)。其結果是，僅僅這兩只220μF的電容器就占據(jù)了個人媒體播放器或手機電路板上的絕大部分空間。如今，盡管在電容器的物理尺寸、高度以及成本等方面可以取得一些折衷，但傳統(tǒng)的解決方案最終還是無法滿足絕大多數(shù)應用的要求。這就是圖1所示電路存在的主要問題。

這種電路在啟動時還存在另一個不太明顯的問題。啟動前，所有的電路節(jié)點上的電壓都是0V，兩只電容開始被充電。但是在正常的工作過程中，每只電容的左側電壓是VDD/2(直流項)，而右側則停留在0V。要實現(xiàn)這一狀態(tài)，必須驅動一個電流通過電容器對其充電。這樣，在啟動過程中，如果放大器的輸出從0V瞬間躍升至VDD/2，該充電電流上將會出現(xiàn)一個很大的短時間電流尖峰。因為任何通過電容器的電流都將通過耳機，于是將產(chǎn)生一個很大的爆破噪音，這在當今的市場上市無法接受的。當然，通過延緩放大器輸出電平的提升可以減小充電電流的幅度和擺率，從而將噪音降低到一個聽不到的程度，但代價卻是大大地增加了啟動時間。這是一個很大的缺陷，因為語音回放通常是用戶接口的一部分，例如，確認某個按鍵是否被按下，或者是否選擇了某個選項。這類用戶輸入事件與所期望的確認音之間的長延遲會顯得系統(tǒng)笨拙和反應遲緩。

對終端用戶來說，無論是爆破噪音還是用戶接口的響應速度都是至關重要的，這使得系統(tǒng)設計師進退兩難。然而，令人有點驚奇的是，許多人為了避免開機延遲過大，保持耳機放大器的電源始終不關斷，即便是在不需要的時候也是如此。這種做法無疑增加了待機功耗，從而違背了如今已成為普遍的、電池供電系統(tǒng)中嚴格且精細的功率管理準則。音頻期間提供商通過提供低功耗待機模式來響應積極的功率管理，將放大器的輸出偏置到VDD/2，從而消耗比回放過程中更少的功耗。不過，這只是一個不完善的解決方案，由于它需要一個條件，就是VDD電源電壓必須始終提供，即產(chǎn)生電源電壓VDD的電壓調(diào)整器始終不能關斷，這也會縮短待機電池的壽命。

總起來說，傳統(tǒng)的耳機驅動電路迫使系統(tǒng)設計師采取折衷，這種折衷方式應經(jīng)開始日益被接受。首先是要在電容器的物理尺寸，電容器的成本以及系統(tǒng)的低頻響應之間采取折衷；其次，還要在爆破噪音，較長的啟動時間，高待機功耗以及增加的額外成本之間做出痛苦的抉擇。

2.“虛擬接地”方案

一種不采用電容器的替代解決方案如圖2所示。這里，增加了一個第三放大器，并被接到耳機的地線柱上(即一般的TRS連接器的插套上)。它作為一個虛擬地，提供沒有交流分量的VDD/2直流電壓。左聲道和右聲道與圖1中的傳統(tǒng)電路相比沒有變化。由于無論是左聲道還是右聲道與虛擬地之間的直流電壓差都是0，從而不再需要隔離直流電容器。

圖2：采用虛擬接地的無電容耳機驅動電路。

這種解決方案具有三重優(yōu)點。首先是比傳統(tǒng)電路體積小，高度低且價錢便宜；其次，其低頻響應平坦，從而保證了低音的精確再現(xiàn)；最后是啟動時間小，因為無需再對隔離直流電容充電。音頻器件提供商提供這種虛擬接地的解決方案已經(jīng)有數(shù)年了，市場上被稱作為“偽差分”，以及“無輸出電容”和“虛地”。目前已經(jīng)有許多OEM廠商采用了這種解決方案，其中不乏一些知名品牌的公司。

但是，這種解決方案并非沒有問題。缺點之一就是由于增加了一個“虛擬接地”放大器所引起的功耗增加。假定采用的是小輸出幅度和阻性負載的B類放大器，其功耗等同于左聲道和右聲道放大器加起來的總和，即該電路的總功耗比相似條件下的傳統(tǒng)電路增加了一倍，即便是用滿刻度的正弦波，虛擬接地解決方案的功耗也要比傳統(tǒng)電路的功耗高6?%(2/pi)以上。該結果將大大縮短回放電池壽命，無論是用多大的音量。

另一個問題出現(xiàn)在當耳機被用作為線路輸出時。在便攜式系統(tǒng)中并沒有分離的線路輸出插座，終端用戶常常利用商用適配器電纜將耳機輸出連接到家庭高保真系統(tǒng)或者擴展臺塢(docking station)的線路輸入上。由于在適配電纜的兩端都要接地(便攜式系統(tǒng)將會通過一個充電器接地)，則虛擬地被直接連接到真實地上了。其結果是，由于短路時的音頻信號無法正確地傳送。盡管目前耳機放大器已經(jīng)可以承受任意長時間的短路，從而造成永久性的損壞的機率很小，但盡管如此，從可靠性的角度出發(fā)，很顯然這仍然不是理想的解決方案。總的來說，在許多應用中，虛擬接地是傳統(tǒng)電路的一個可用的替代方案，但該方案還是具有自身的缺點，從而無法成為業(yè)界的標準解決方案。

3.利用反向電荷泵的參考地解決方案

要解決傳統(tǒng)耳機驅動存在的問題，并不帶來新的問題，需要一個其輸出電壓以0V為中心的參考地放大器。這種放大器需要一個對稱電源，它有一個正電源和一個負電源組成，正負電源的電壓幅度相等。由于在消費電子系統(tǒng)中很少有負電源軌，一些元器件提供商在他們的音頻IC中集成了電荷泵，如圖3所示。這種解決方案目前正在被幾個廠家的品牌采用。

圖3：參考地耳機驅動電路。

頗具諷刺意義的是，這種解決方案需要比傳統(tǒng)解決方案更多的電容器，包括在電荷泵的輸入端和輸出端各需要一只電容器，還有一只“回掃反饋”(flyback)電容。(有時候，在簡短的IC數(shù)據(jù)頁中并沒有注明位于輸入端的電容，實際上需要它來補償實際電源中并非直接由電荷泵引起的非理想瞬態(tài)響應)。很顯然，對于這種電路，“無電容”的說法是不合適的。不過，由于這些電容的容值都只有幾微法，因此與傳統(tǒng)電路中的兩只220微法的電容比起來要好多了。與虛擬地解決方案不同，這種電路提供了一個真正的接地輸出，從而可以沒有任何限制地用于各種線路輸出。這種電路即便是在電池電壓很低的時候也能工作，原因是電荷泵將放大器的電壓擺幅擴大了一倍。

對于參考地解決方案，剩下來的主要問題就是功耗了。在低音量時，電荷泵的效率受開關損耗的影響而被限制到較低的值，而在高音量時，其效率則受到芯片上互聯(lián)電阻和開關器件的物理尺寸的限制(加大芯片意味著增加成本)。此外，有些放大器設計無法容忍電荷泵產(chǎn)生的電源紋波，使得一些提供商外加LDO電壓調(diào)節(jié)器來消除紋波。LDO電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓降進一步引入損耗?？偟膩碚f，絕大多數(shù)參考地解決方案的電源效率只有傳統(tǒng)解決方案的一半左右，縮短了回放電池的壽命。

4.更先進的參考地解決方案

如何解決參考地耳機驅動解決方案中的電源效率低的問題，正在成為低功率音頻領域的熱點話題。采用G類放大器架構獨特地解決這一問題，這種架構中，將根據(jù)音頻信號的音量來調(diào)節(jié)電源電壓。然而，具有固定輸出電壓的反向電荷泵不支持這種G類放大器架構。

一種被稱作為“W”類，被集成WM8703音頻調(diào)制解調(diào)器中。這種解決方案中，電荷泵只有一個單電源輸入，通常連接到1.8V的電源軌，但卻有兩個電源輸出，分別為VPOS和VNEG，從而為放大器提供一個對稱電源。VPOS和VNEG的幅度隨著信號的強弱而變化，從而以與其他G類實現(xiàn)方案中非常相似的方式改善了電源效率。但W類做得更好，這是因為該方案中還隨著音量的大小來調(diào)節(jié)電荷泵的開關頻率。這樣就減小了開關損耗并進一步延長了電池工作時間。與標準的反向電荷泵相比，該設計只需要增加一個額外的引腳和容量很小的電容，如圖4所示。

圖4：具有自適應功能的“W”類耳機驅動電路。

WM8703耳機放大器具有高PSSR(電源抑制比)，因此可以直接由電荷泵驅動，而不再需要片上LDO調(diào)節(jié)器。器件內(nèi)的其他電路也具有較高的PSRR，許多情況下也不需要外部的LDO。在器件中的數(shù)字內(nèi)核，數(shù)模轉換器以及其他部分中，也采用了許多其他與此無關的節(jié)能技術。

本文小結

盡管許多老的解決方案還在不時使用，但在手持設備應用中，一個新的業(yè)界標準是參考地解決方案。其他必需考慮的指標還包括超低的功耗-在現(xiàn)實應用中用于回放的功耗只有幾毫瓦；解決方案體積小還要考慮到外部元器件，不降低語音質(zhì)量，還要有合理的成本。隨著元器件提供商在滿足這些苛刻需求方面的不斷努力，新的解決方案和更好的改進將會持續(xù)出現(xiàn)。但十之八九，都要采取一些折衷，一些設計目標的取得將以其他方面的犧牲為代價。而同時在各主要方面都取得成功的解決方案，將會獲得大批量的應用。