新一代立體聲耳機放大器的特性及性能測試

真實接地放大器

一般來講，耳機放大器的輸出級有四種接法：第一種是真實接地的接法，這種解法不需要隔直電容，也不需要兼容立體聲耳機，但需要雙電源供電；第二種接法是橋接負載，這種接法只需要單電源供電，但不兼容立體聲耳機，它的優(yōu)點是動態(tài)范圍比較大，可以達到兩倍的VDD；第三種接法是電容耦合接法，這種接法兼容立體聲耳機，采用單電源供電，但需要一個體積較大、價格比較昂貴的隔直電容，而且高通濾波效果不好；第四種接法是虛擬接地的接法，這種接法中沒有耦合電容，也是單電源供電，但如果有麥克風，也不能兼容立體聲耳機。

真實接地是用戶理所當然的選擇。這是因為，首先它不需要大的隔直電容，這種大的隔直電容一般在47μF以上，尺寸較大，而且可能比較貴，同時這種接法也不能提供一個好的高通濾波器。第二個優(yōu)點是所有信號的參考電平都相同，不管是對麥克風來講還是對左右聲道的耳機輸出來講，其參考都是對地進行參考，所以各個通道之間的串擾可以達到最小，兼容4點的耳機接口，也可用于電視、汽車或者計算機等應用。第三個優(yōu)點是其ESD和EMI保護相對簡單。雖然真實接地的耳機放大器比較好，但是對于IC設計人員而言，并不是很容易。這是由于真實接地的耳機放大器需要正負兩路電源供電，而對于便攜式產(chǎn)品來說，一般都是直接從電池供電，不會提供一路負電源，那么耳機放大器如何產(chǎn)生這路負電源呢？

圖1 NCP2811A真接地耳機放大器原理圖

耳機放大器產(chǎn)生負電源通常有兩種方案，第一種是基于電感式的反相器，這種電路的效率比較高，能提供非常大的電流，但是電感的體積仍然很大，成本也很高，而且產(chǎn)生EMI的可能性相對比較大。第二個方案是采用電荷泵的反相器，這種電荷泵反相器的效率也比較高，而且也不需要外部的大電容，不論是輸出電容還是泵電容，都是采用0402的封裝，2.2μF就足夠了。采用電荷泵反相器輸出負電壓另一個要考慮的問題是需要采用隔離二極管來防止結二極管導電。所以它需要其他電路來適當?shù)钠酶綦x晶體管，確保二極管是反向偏置的。

圖2 輸出端ESD保護電容

圖3 基本常規(guī)設計

如果音頻放大器采用“穩(wěn)壓器+放大器”的架構供電，它的電源抑制比（PSRR）一般比較高，比音頻放大器直接連接的Vbat和-Vbat之間的系統(tǒng)高。如放大器本身的PSRR可以達到-70dB，穩(wěn)壓器的PSRR本身可以達到-70dB，那么采用“穩(wěn)壓器+放大器”的架構的話，它的PSRR的理論值可以達到140dB。實際上Vbat和音頻放大器的集成耦合降低了PSRR的理論值，但整個系統(tǒng)的PSRR仍然有可能達到-90dB到-100dB。綜上所述，我們知道真實接地的放大器也是有代價的，因為真實接地放大器需要內(nèi)部包含轉換模塊，必然導致芯片尺寸的增加，各個增加部分的面積占整個硅晶片的比例大概是：反相器3.3%、電荷泵30%，布線和劃片槽所占的面積也會因此而增加。所以真實接地的立體聲耳機放大器比常規(guī)立體聲放大器的尺寸大50%左右。

安森美半導體真實耳機放大器——NCP2811

NCP2811是一個立體聲耳機放大器，可以為16Ω的負載提供100mW的輸出，而且THD+N小于0.01%。同時NCP2811有兩個版本：NCP2811A是外部可調(diào)增益版本，NCP2811B是固定增益版本。這兩種版本同時提供?Bump 12引腳封裝，芯片的整個封裝尺寸只有1.5mm×2mm，0.5mm的管腳間距，同時也提供QFN 3×3的封裝，芯片內(nèi)部集成了Click Noise消除電路，可以有效地抑制Pubclic Noise。

圖1為NCP2811A的框架原理圖。左上角為產(chǎn)生負電源的Pop模塊，左邊中間是Pob Clicke消除電路，左下角是外部增益設置的電路，包括反饋電阻、輸入電阻和輸入電容。右邊為兩個輸出，采用真實接地的接法，不需要隔直電容。

NCP2811B與NCP2811A的主要區(qū)別在于它將增益設置放到了內(nèi)部。芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了反饋電阻和輸入電阻，因此電路的外圍只需要提供輸入電容就可以了。

圖4 基本虛擬接地設計

圖5 基本的真實接地設計

NCP2811A/B特性

真接地耳機放大器

- 省去2個外部隔直流(DC blocking)大電容

- 能夠使用4點連接器，麥克風和耳機使用相同接地引腳

提供內(nèi)部增益版本(B)或可調(diào)節(jié)增益版本(A)

零爆音噪聲電路

高PSRR(-100dB)

低噪聲放大器(7 ?Vrms AW)，信噪比(SNR) = 105dB

CSP-12引腳1.5mm×2mm封裝

NCP2811關鍵性能測試

THD+N

首先測試NCP2811的總諧波失真（THD）和噪聲（N），即THD+N?？梢钥吹?，在5V供電時，它的最大輸出功率可以達到110mW，所以它的驅動能力很強。同時它在16Ω的負載以及32mW的測試條件下，只有0.015%的THD+N。

PSRR

在電源供電為3.6V時，在217Hz處其PSRR在-100dB以下。不論是左聲道輸出還是右聲道輸出，它的PSRR都在-100dB以下。

串擾

在測試條件為Vbat=3.6V的情況下，可以看到無論是左聲道對右聲道，還是右聲道對左聲道，它的串擾都在-80dB以下。

輸出對地保護

NCP2811器件集成了內(nèi)部短路保護功能，如果兩個輸出對地有短路狀況存在的話，內(nèi)部自動會啟動一個短路保護，這時每個輸出管腳對地的電流不會超過300mA。

NCP2811外部元件的選擇

對于NCP2811A進行增益設定所需要的電阻包括反饋電阻和輸入電阻，用來設定NCP2811A的閉環(huán)增益，建議將閉環(huán)增益設定在1至10之間，對于輸入電容來講，Rin和Cin是作為一個高通濾波器來使用的，選擇適當?shù)腃in，使Cin和Rin的低通濾波器截止頻率低于20Hz?？砂凑杖缦鹿接嬎悖?br />

在電荷泵電容選擇方面，推薦使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷電容（建議X7R或X5R）。在負電壓產(chǎn)生期間，泵電容(又稱飛跨電容)傳遞能量。輸出電容（Cpvm）要大于等于泵電容，最小的最小的泵電容電容 (Cfly)和Cpvm的值是1?F(0402封裝尺寸)。對于輸入電容，推薦低ESR的陶瓷電容(建議X7R或X5R)，建議最低選擇1?F的電容值。

NCP2811是高性能運算放大器，所以驅動電容性負載時運算變壓器會變得不太穩(wěn)定。如果在實際設計中需要電容性ESD保護，建議在NCP2811輸出與ESD保護之間串聯(lián)一個10Ω電阻，將電容性負載效應降至最低，如圖2所示。

耳機驅動器的選型指南

常規(guī)的耳機放大器是需要隔直電容的，如圖3所示，從左側看，它需要輸入電容、輸入電阻和反饋電阻來設定它的增益和高通截止頻率，同時它的內(nèi)部也集成了一個噪聲消除電路，并提供一個1/2Vbat的偏置電壓。在芯片的右側有兩個輸出，通過隔直電容后接到左右聲道的耳機上。在電容之前，在芯片上實際上是有一個直流偏置的，一般是在1/2VDD上面，但在電容之后，它實際上是一個純交流信號，不會有直流電平。

圖4所示為一個基本虛擬接地的設計。這種電路也是需要輸入電容、輸入電阻和反饋電阻來設定整個環(huán)路增益以及輸入高通濾波器的截止頻率。同時它內(nèi)部也需要集成一個偏置電壓，而且這個偏置電壓會提供兩個管腳接到耳機的反饋端，耳機實際上是接到了OUT_L和OUT_I之間，或者是OUT_R和REF_I之間。此時在耳機的兩端都有一個1/2VDD的直流電平存在，當然，最后抵達到耳機的實際上是一個交流的音頻信號，而沒有一個直流偏置在上面。

圖5是一個基本的真實接地的耳機放大器，芯片的最左側實際上采用的是差分的輸入，所以會有四個輸入引腳，包括四個輸入電容。內(nèi)部包含一個多路器，同時也會集成一個負電源的供電部分，包括在框圖的左下角，有一個CHARGE PUMP模塊，在芯片的右下角提供了一個控制接口，芯片中間偏右是兩個放大器。右側耳機的地是接到真實的大地上，而且OUTL和OUTR的波形完全是以地為參考的，只是一個純粹的交流信號，沒有任何的直流偏置。

從兼容性方面來講，虛擬接地的設計耳機連接器上的虛擬接地需要額外的引腳，而且會產(chǎn)生天線效應，所以它不兼容標準的耳機連接器；對于真實的接法，耳機放大器的地和耳機的地可以和主地共享，能夠兼容標準的耳機連接器，所以說真實接地的耳機放大器是客戶的首選。