耳機(jī)放大器驅(qū)動電路的現(xiàn)存問題及解決方案

如今在連接耳機(jī)放大器時(shí)經(jīng)常聽到“零電容”或“無電容”這類炫耀式的強(qiáng)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(jìn)地基于幾種不同的技術(shù)。這幾種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)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(shí)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(shí)間等。本文將就這些問題進(jìn)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

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(yīng)由這兩只電容器的容值和耳機(jī)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(dāng)采用的耳機(jī)阻抗為16歐姆時(shí)，電路的截止頻率為45Hz，而當(dāng)所用耳機(jī)的阻抗為32歐姆時(shí)，該截止頻率則降到22.5Hz。不期望采用低于220μF的電容值，因?yàn)檫@將提到電路的低頻截止頻率，導(dǎo)致低音部分的損耗，這是一個(gè)難題，即便是采用目前最先進(jìn)的信號處理技術(shù)，該損耗也只能是得到部分補(bǔ)償校正。

雖然電容器制造技術(shù)也在不斷地提升和改進(jìn)，但仍落后于由于摩爾定律所導(dǎo)致的消費(fèi)電子體積快速減小和成本快速降低的步調(diào)。其結(jié)果是，僅僅這兩只220μF的電容器就占據(jù)了個(gè)人媒體播放器或手機(jī)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(yīng)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(shí)還存在另一個(gè)不太明顯的問題。啟動前，所有的電路節(jié)點(diǎn)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(cè)電壓是VDD/2(直流項(xiàng))，而右側(cè)則停留在0V。要實(shí)現(xiàn)這一狀態(tài)，必須驅(qū)動一個(gè)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(gè)很大的短時(shí)間電流尖峰。因?yàn)槿魏瓮ㄟ^電容器的電流都將通過耳機(jī)，于是將產(chǎn)生一個(gè)很大的爆破噪音，這在當(dāng)今的市場上市無法接受的。當(dāng)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(gè)聽不到的程度，但代價(jià)卻是大大地增加了啟動時(shí)間。這是一個(gè)很大的缺陷，因?yàn)檎Z音回放通常是用戶接口的一部分，例如，確認(rèn)某個(gè)按鍵是否被按下，或者是否選擇了某個(gè)選項(xiàng)。這類用戶輸入事件與所期望的確認(rèn)音之間的長延遲會顯得系統(tǒng)笨拙和反應(yīng)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(yīng)速度都是至關(guān)重要的，這使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)師進(jìn)退兩難。然而，令人有點(diǎn)驚奇的是，許多人為了避免開機(jī)延遲過大，保持耳機(jī)放大器的電源始終不關(guān)斷，即便是在不需要的時(shí)候也是如此。這種做法無疑增加了待機(jī)功耗，從而違背了如今已成為普遍的、電池供電系統(tǒng)中嚴(yán)格且精細(xì)的功率管理準(zhǔn)則。音頻期間提供商通過提供低功耗待機(jī)模式來響應(yīng)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(gè)不完善的解決方案，由于它需要一個(gè)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(guān)斷，這也會縮短待機(jī)電池的壽命。

總起來說，傳統(tǒng)的耳機(jī)驅(qū)動電路迫使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師采取折衷，這種折衷方式應(yīng)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(yīng)之間采取折衷；其次，還要在爆破噪音，較長的啟動時(shí)間，高待機(jī)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(gè)第三放大器，并被接到耳機(jī)的地線柱上(即一般的TRS連接器的插套上)。它作為一個(gè)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。

這種解決方案具有三重優(yōu)點(diǎn)。首先是比傳統(tǒng)電路體積小，高度低且價(jià)錢便宜；其次，其低頻響應(yīng)平坦，從而保證了低音的精確再現(xiàn)；最后是啟動時(shí)間小，因?yàn)闊o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(diǎn)之一就是由于增加了一個(gè)“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(fù)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(jié)果將大大縮短回放電池壽命，無論是用多大的音量。

另一個(gè)問題出現(xiàn)在當(dāng)耳機(jī)被用作為線路輸出時(shí)。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(jī)輸出連接到家庭高保真系統(tǒng)或者擴(kuò)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(gè)充電器接地)，則虛擬地被直接連接到真實(shí)地上了。其結(jié)果是，由于短路時(shí)的音頻信號無法正確地傳送。盡管目前耳機(jī)放大器已經(jīng)可以承受任意長時(shí)間的短路，從而造成永久性的損壞的機(jī)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?？偟膩碚f，在許多應(yīng)用中，虛擬接地是傳統(tǒng)電路的一個(gè)可用的替代方案，但該方案還是具有自身的缺點(diǎn)，從而無法成為業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)驅(qū)動存在的問題，并不帶來新的問題，需要一個(gè)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(gè)對稱電源，它有一個(gè)正電源和一個(gè)負(fù)電源組成，正負(fù)電源的電壓幅度相等。由于在消費(fèi)電子系統(tǒng)中很少有負(fù)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(gè)廠家的品牌采用。

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(shí)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(shí)際上需要它來補(bǔ)償實(shí)際電源中并非直接由電荷泵引起的非理想瞬態(tài)響應(yīng))。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(gè)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(shí)候也能工作，原因是電荷泵將放大器的電壓擺幅擴(kuò)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(shí)，電荷泵的效率受開關(guān)損耗的影響而被限制到較低的值，而在高音量時(shí)，其效率則受到芯片上互聯(lián)電阻和開關(guān)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(shè)計(jì)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(jìn)一步引入損耗。總的來說，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(jìn)的參考地解決方案

如何解決參考地耳機(jī)驅(qū)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(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。采用G類放大器架構(gòu)獨(dú)特地解決這一問題，這種架構(gòu)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(gòu)。Wolfson微電子公司推出了首款參考地G類放大器件-WM8?00，采用了具有兩個(gè)輸入端的奇特電荷泵設(shè)計(jì)解決了這一難題。他們連接到當(dāng)今絕大多數(shù)電池供電的設(shè)備中都具有的不同的電源電壓上，使得電荷泵可以產(chǎn)生兩個(gè)不同的輸出電壓。

作為Wolfson公司一款最新的解決方案，被稱作為“W”類，被集成WM8?03音頻調(diào)制解調(diào)器中。這種解決方案中，電荷泵只有一個(gè)單電源輸入，通常連接到1.8V的電源軌，但卻有兩個(gè)電源輸出，分別為VPOS和VNEG，從而為放大器提供一個(gè)對稱電源。VPOS和VNEG的幅度隨著信號的強(qiáng)弱而變化，從而以與其他G類實(shí)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?yàn)樵摲桨钢羞€隨著音量的大小來調(diào)節(jié)電荷泵的開關(guān)頻率。這樣就減小了開關(guān)損耗并進(jìn)一步延長了電池工作時(shí)間。與標(biāo)準(zhǔn)的反向電荷泵相比，該設(shè)計(jì)只需要增加一個(gè)額外的引腳和容量很小的電容，如圖4所示。

WM8?03耳機(jī)放大器具有高PSSR(電源抑制比)，因此可以直接由電荷泵驅(qū)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(zhuǎn)換器以及其他部分中，也采用了許多其他與此無關(guān)的節(jié)能技術(shù)。

本文小結(jié)

盡管許多老的解決方案還在不時(shí)使用，但在手持設(shè)備應(yīng)用中，一個(gè)新的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)是參考地解決方案。其他必需考慮的指標(biāo)還包括超低的功耗-在現(xiàn)實(shí)應(yīng)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(jìn)將會持續(xù)出現(xiàn)。但十之八?，都要采取一些折衷，一些設(shè)計(jì)目標(biāo)的取得將以其他方面的犧牲為代價(jià)。而同時(shí)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(yīng)用。