消費(fèi)應(yīng)用立體聲耳機(jī)放大器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)暨“真實(shí)接地”方案

為了滿足消費(fèi)者對(duì)耳機(jī)音頻質(zhì)量更高的要求，手機(jī)、GPS和MP3播放器等便攜消費(fèi)類設(shè)備需要高質(zhì)量的立體聲耳機(jī)放大器。而設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)立體聲耳機(jī)放大器輸出段時(shí)，需要從橋接負(fù)載、電容耦合、虛擬接地及真實(shí)接地等不同選擇中選出更適合的方案。

這些不同的輸出段設(shè)計(jì)選擇各有其優(yōu)缺點(diǎn)，如橋接負(fù)載的動(dòng)態(tài)范圍較大，支持單電源工作，但不兼容立體聲耳機(jī)；電容耦合兼容立體聲耳機(jī)，同時(shí)支持單電源工作，卻存在需要大電容及高通濾波等問題；虛擬接地也支持單電源，無需耦合電容，但若有麥克風(fēng)，就不兼容立體聲耳機(jī)。
圖1：不同立體聲音頻放大器輸出段設(shè)計(jì)電路圖。

相比較而言，真實(shí)接地輸出設(shè)計(jì)體現(xiàn)出更多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，如支持立體聲耳機(jī)，無需大解耦電容，從而節(jié)省電路板空間及避免大電容可能較貴的成本，改善低頻響應(yīng)性能，并提高電源抑制比(PSSR)。此外，包括音頻和直流偏置在內(nèi)的所有信號(hào)的參考電平相同，將串?dāng)_減至最小，并支持帶4點(diǎn)插孔(4 points jack)的標(biāo)準(zhǔn)附件。特別是采用這種設(shè)計(jì)的放大器更易于實(shí)現(xiàn)靜電放電(ESD)/電磁干擾(EMI)保護(hù)。當(dāng)然，采用真實(shí)接地也會(huì)付出占位面積方面的代價(jià)，這種立體聲放大器會(huì)比常規(guī)立體聲放大器尺寸大50%。但綜合來看，真實(shí)接地立體聲耳機(jī)放大器為客戶提供更多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，成為客戶理所當(dāng)然的選擇。[!--empirenews.page--]

“真實(shí)接地”輸出段設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)及解決方案
不過，對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，立體聲耳機(jī)音頻放大器輸出段真實(shí)接地設(shè)計(jì)并不容易。因?yàn)榕c虛擬接地等其它設(shè)計(jì)支持單電源工作不同，真實(shí)接地設(shè)計(jì)中，放大器需要采用雙電源工作，即同時(shí)需要正電源電壓和負(fù)電源電壓，而負(fù)電源電壓的產(chǎn)生并非易事。

可以考慮兩種方案來產(chǎn)生負(fù)電壓。一是利用電感式降壓轉(zhuǎn)換器，二是利用電荷泵。電感式降壓轉(zhuǎn)換器采用電感作為儲(chǔ)能及傳遞能量的介質(zhì)(見圖2a)。這種方案中，MOSFET導(dǎo)通時(shí)，電感充電，充電電流方向如紅色線條所示，此時(shí)肖特基二極管截止；MOSFET關(guān)閉時(shí)，肖特基二極管導(dǎo)通，電感放電，放電電流方向如藍(lán)色線條所示，同時(shí)給電容充電。由于電容正極接地，故給電容的充的電壓為負(fù)電壓，即輸出為負(fù)電壓。這種產(chǎn)生負(fù)電壓的方案效率極高，且能提供大電流，但其問題在于所采用的電感跟在輸出段移除的電容尺寸一樣大、價(jià)格一樣貴，即不能體現(xiàn)出減小電路板占用空間和降低成本的優(yōu)勢(shì)。

電荷泵式轉(zhuǎn)換器常用于反壓型直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換，即輸入正電壓，輸出負(fù)電壓，電路中采用電容作為儲(chǔ)能及傳遞能量的介質(zhì)。這種方案中包含4個(gè)開關(guān)及2個(gè)電容(C1和C2)，見圖2b。如圖所示，C1左側(cè)的兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，右側(cè)的兩個(gè)開關(guān)關(guān)閉，C1充電(見紅色線條)；下一個(gè)時(shí)序時(shí)，C1左側(cè)的兩個(gè)開關(guān)關(guān)閉，右側(cè)的兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，C1放電，并給電容C2充電。由于C2正極接地，故C2上充的電壓是負(fù)電壓，即輸出負(fù)電壓。如今便攜電子產(chǎn)品中電荷泵電路的開關(guān)頻率越來越高，故不需要使用尺寸大、價(jià)格貴的大電容。這便是電荷泵方案的一大優(yōu)勢(shì)，其它優(yōu)勢(shì)還包括在產(chǎn)生負(fù)電壓時(shí)效率極高，這些優(yōu)勢(shì)讓其在產(chǎn)生負(fù)電壓方面?zhèn)涫芮嗖A。不過，在實(shí)際應(yīng)用中，還要注意一些問題，如要使用隔離晶體管，防止結(jié)二極管導(dǎo)電；且需要其它功能來恰當(dāng)偏置隔離晶體管，確保結(jié)二極管反向偏置。
                                 
從電源架構(gòu)來看，“真實(shí)接地”立體聲耳機(jī)音頻放大器采用“穩(wěn)壓器(如電荷泵式轉(zhuǎn)換器)+放大器”架構(gòu)(見圖3)，這種架構(gòu)的電源抑制比(PSSR)比音頻放大器直接連接在電池正極電壓(Vbat)與電池負(fù)極電壓(-Vbat)之間的系統(tǒng)高。而對(duì)便攜消費(fèi)類產(chǎn)品而言，音頻放大器必須具有較高的PSSR，從而避免受到電源與布線噪聲的干擾。
圖2：兩種負(fù)電壓產(chǎn)生方案的電路原理圖。      

NCP2811 A/B無電容真實(shí)接地立體聲耳機(jī)放大器特性及優(yōu)勢(shì)
安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，為便攜消費(fèi)應(yīng)用推出一系列的無噪聲音頻放大器，如用于揚(yáng)聲器的NCP2991/0、NCP2892、NCP2890/NCV2890、NCP4894、NCP2820/20A/30，以及用于立體聲耳機(jī)的NCP2809和NCP2811。其中，NCP2809采用虛擬接地設(shè)計(jì)，而NCP2811是一款無電容(NoCap™)真實(shí)接地立體聲耳機(jī)放大器。這器件采用“電荷泵+放大器”式電源架構(gòu)，應(yīng)用了真實(shí)接地設(shè)計(jì)，內(nèi)置的電荷泵架構(gòu)同時(shí)提供正電源電壓(VRP)及負(fù)電源電壓(VRM)，讓放大器輸出段省下2個(gè)外部隔直(DC blocking)大電容，并能夠使用4點(diǎn)連接器，讓麥克風(fēng)和耳機(jī)使用相同接地引腳，高效利用引腳資源。[!--empirenews.page--]
圖3：NCP2811A(外部可調(diào)節(jié)增益)無電容立體聲耳機(jī)變壓器功能框圖。

NCP2811在采用5 V電源電壓工作時(shí)，為16 Ω的耳機(jī)負(fù)載提供100 mW功率，背景噪聲僅為7 µVrms AW，總諧波失真(THD)+噪聲(N)小于0.01%。此外，NCP2811內(nèi)置爆音(Pop)及嘀噠(Click)噪聲消除電路，讓消費(fèi)者不會(huì)聽到擾人的噪聲；-100 dB的高PSSR，進(jìn)一步提高噪聲抑制水平；105 dB的信噪比(SNR)更是提升音質(zhì)，增強(qiáng)消費(fèi)者音頻體驗(yàn)質(zhì)量。這器件還抑制EMI，且在關(guān)閉模式消耗極低的電流，幫助延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。

NCP2811采用節(jié)省空間的CSP 12引腳封裝，尺寸僅為1.5×2 mm，引腳間距0.5 mm；此外還提供QFN 3×3 mm封裝。NCP2811包含兩個(gè)版本：NCP2811A為外部可調(diào)節(jié)增益版本，而NCP2811B為內(nèi)部固定增益版本。

NCP2811外部元件選擇
設(shè)計(jì)人員應(yīng)用NCP2811真實(shí)接地立體聲耳機(jī)變壓器時(shí)，還涉及到外部元件選擇的問題。如對(duì)外部可調(diào)節(jié)增益的NCP2811A而言，需要設(shè)定增益；而其閉環(huán)增益由電阻Rf和Rin決定，建議閉環(huán)增益設(shè)定在1至10的范圍內(nèi)。

在輸入端的電容選擇方面，輸入電阻Rin + 輸入電容Cin使高通濾波器阻隔低頻，Cin的選擇應(yīng)使Cin – Rin低通濾波器截止頻率(fc)低于20 Hz。

而在電荷泵電容方面，應(yīng)當(dāng)選擇低等效串聯(lián)電阻(ESR)的陶瓷電容(建議X7R或X5R)；另外，在負(fù)電壓產(chǎn)生期間，飛跨(flying)電容(Cfly)充當(dāng)能量傳遞作用，而Cpvm(參見圖3)電容至少要等于Cfly，使能量傳遞增至最大。最小的Cfly和Cpvm值是1 µF(0402封裝尺寸)，可以選擇TDK的 C1005X5R0J105K及Murata的GRM155R60J105K19。解耦電容方面，同樣建議選擇X7R或X5R規(guī)格的低ESR陶瓷電容，而且建議最低選擇1 µF電容值。[!--empirenews.page--]

如前所述，NCP2811這樣的真實(shí)接地設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)。對(duì)于NCP2811而言，它基本上是高性能的運(yùn)算放大器，而運(yùn)算放大器在驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載時(shí)會(huì)變得不穩(wěn)定。因此，如果設(shè)計(jì)中需要電容性ESD保護(hù)，建議在NCP2811輸出與ESD保護(hù)電路之間串聯(lián)增加2顆10 Ω電阻，從而將電容性負(fù)載效應(yīng)降至最低。
圖4：設(shè)計(jì)中需要電容性ESD保護(hù)時(shí)，建議在NCP2811輸出與ESD保護(hù)間串聯(lián)電阻。

總結(jié)：
便攜消費(fèi)類設(shè)備需要高質(zhì)量的立體聲耳機(jī)放大器，滿足消費(fèi)者對(duì)更佳音頻體驗(yàn)的需求。立體聲耳機(jī)放大器輸出段設(shè)計(jì)有橋接負(fù)載、電容耦合、虛擬接地和真實(shí)接地等不同選擇，其中真實(shí)接地提供眾多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，是客戶理所當(dāng)然的選擇。但真實(shí)接地設(shè)計(jì)中，放大器需要采用雙電源工作，其中的負(fù)電壓產(chǎn)生成為難題。有利的是，安森美半導(dǎo)體推出NCP2811無電容(NoCapTM)真實(shí)接地立體聲耳機(jī)放大器，這器件采用“電荷泵+放大器”的電源架構(gòu)，電荷泵同時(shí)產(chǎn)生正電壓和負(fù)電壓，幫助省下輸出端2個(gè)隔直大電容，騰出更多板級(jí)空間。這器件還提供低噪聲及高信噪比和高電源抑制比，具有優(yōu)異的噪聲抑制水平，再加上小尺寸的CSP-12封裝，非常適合手機(jī)、MP3播放器和GPS等空間受限的消費(fèi)類設(shè)計(jì)。