從多方面改進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)品的DirectDrive耳機(jī)放大器技術(shù)

在電池供電的電子產(chǎn)品中使用的大部分傳統(tǒng)的耳機(jī)放大器都是工作在正電壓和地之間的單電源器件。這一設(shè)計(jì)導(dǎo)致在放大器中只能通過(guò)正極性信號(hào)。然而音頻信號(hào)天生是在正極性和負(fù)極性之間來(lái)回?cái)[動(dòng)的。因此，在傳統(tǒng)單電源供電放大器可以接受音頻信號(hào)之前，必須添加一個(gè)直流偏置。這個(gè)直流偏置典型值為電源電壓的一半，以獲得最大的信號(hào)擺動(dòng)范圍(圖1)。

雖然直流偏置是放大所必需的，但揚(yáng)聲器卻需要沒(méi)有直流偏置的信號(hào)。當(dāng)直流偏置施加于揚(yáng)聲器時(shí)，揚(yáng)聲器喇叭會(huì)從其中間點(diǎn)移動(dòng)至較接近紙盆最大偏移點(diǎn)的一側(cè)。這意味著該揚(yáng)聲器不再能產(chǎn)生足夠無(wú)失真的聲壓。該直流信號(hào)還會(huì)導(dǎo)致直流能量在音頻線圈中散失，從而造成能量浪費(fèi)及不必要地?fù)P聲器加熱。在極端情況下，這種加熱會(huì)永久損壞揚(yáng)聲器。

為了防止該直流偏置到達(dá)揚(yáng)聲器，通常要使用一個(gè)隔直電容。這個(gè)電容與大部分阻抗負(fù)載相結(jié)合形成一個(gè)高通濾波器。由于典型的耳機(jī)負(fù)載相當(dāng)于一個(gè)32Ω電阻，因此該電容必須相當(dāng)大以避免阻塞音頻帶寬中需要的部分。如果需要擴(kuò)展延伸是至20Hz，那么必須至少使用250μF的電容以確保20Hz時(shí)的衰減不會(huì)超過(guò)3dB。如果使用16Ω的耳機(jī)，則隔直電容必須至少達(dá)到500μF。雖然一些系統(tǒng)有足夠的空間容納相對(duì)便宜而且尺寸合適的鋁電解電容，但是大多數(shù)便攜式設(shè)備沒(méi)有容納這種電容的空間。在后面這些系統(tǒng)中必須采用更加昂貴的鉭電容來(lái)節(jié)省空間，但即使是這種電容也要占用大量的電路板空間。最終不得不采用較小的電容器來(lái)節(jié)省空間和成本，但是要以犧牲達(dá)20Hz的平坦頻率響應(yīng)為代價(jià)。圖2給出了幾種標(biāo)準(zhǔn)容量電容所產(chǎn)生的頻率響應(yīng)。

圖2：具有16Ω負(fù)載的傳統(tǒng)耳機(jī)放大器的頻率響應(yīng)。

DirectDrive耳機(jī)放大器技術(shù)

DirectDrive耳機(jī)放大器通過(guò)消除直流偏置省去了輸出端對(duì)隔直電容的需求。即使DirectDrive耳機(jī)放大器是由單電源供電，該放大器也能夠通過(guò)正、負(fù)極信號(hào)。負(fù)擺幅是通過(guò)采用板上電荷泵依據(jù)正電源幅度產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電源而獲得的。現(xiàn)在已經(jīng)有雙電源供電產(chǎn)品，因此放大器不再需要在單電源下工作。它可以如圖3所示實(shí)現(xiàn)零偏置。

圖3：采用DirectDrive技術(shù)的放大器輸出波形。

在DirectDrive設(shè)計(jì)中使用的電荷泵只需2個(gè)小陶瓷電容：其中1個(gè)快速電容器，另1個(gè)是保持電容。這些電容通常都是1μF容量，且尺寸可以小到0402。與傳統(tǒng)要220μF輸出電容的耳機(jī)放大器相比，這些參數(shù)的結(jié)果是大大節(jié)省了空間，同時(shí)提供了更優(yōu)越的性能(圖4)。

圖4：a)兩個(gè)1μF充電泵電容與b)兩個(gè)220μF輸出耦合電容相比，節(jié)省了很大空間。

DirectDrive技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

很明顯，消除傳統(tǒng)耳機(jī)放大器所需的輸出耦合電容在解決尺寸和成本問(wèn)題方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。但是采用DirectDrive方法還有許多其他的優(yōu)點(diǎn)。

1)雜音抑制。DirectDrive技術(shù)一個(gè)最明顯的好處是大大減少了雜音。在用傳統(tǒng)耳機(jī)放大器時(shí)，每當(dāng)放大器被啟動(dòng)時(shí)輸出電容就被充電，而每當(dāng)放大器關(guān)斷時(shí)輸出電容又放電。由于電流必須通過(guò)耳機(jī)，因此充放電過(guò)程能產(chǎn)生明顯的雜音(圖5)。通過(guò)去除電容器，DirectDrive消除了一個(gè)雜音的主要來(lái)源。

圖5：a)傳統(tǒng)耳機(jī)放大器的雜音數(shù)據(jù)；b)DirectDrive耳機(jī)放大器下的雜音數(shù)據(jù)

2)更好的低音表現(xiàn)。由隔直電容和阻性耳機(jī)負(fù)載形成的高通濾波器也有發(fā)聲效應(yīng)。在大多數(shù)系統(tǒng)中，不可能放入電容后還會(huì)有20Hz至20kHz的平坦頻率響應(yīng)。為了節(jié)省空間和成本，一般使用比理想電容更小的電容，從而導(dǎo)致低頻翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的增加，最終對(duì)系統(tǒng)的低音表現(xiàn)產(chǎn)生不利影響。當(dāng)采用16Ω耳機(jī)時(shí)更加劇了這種性能缺陷。典型系統(tǒng)都是為32Ω耳機(jī)設(shè)計(jì)的；當(dāng)與16Ω耳機(jī)相連時(shí)，低頻拐角加倍，進(jìn)一步削減了聽(tīng)得見(jiàn)的低音頻率。

然而，采用DirectDrive方法后高通濾波器也完全被消除了，因此拐角頻率只取決于輸入耦合電容。由于放大器的輸入阻抗通常都大于10kΩ，因此僅需要一個(gè)1μF或更小的電容就可確保足夠的音頻帶寬。

3)低電壓工作。DirectDrive技術(shù)允許耳機(jī)放大器直接在系統(tǒng)主要數(shù)字IC采用的電源下工作。由于采用比電池電壓更低的電壓運(yùn)行，因此耳機(jī)放大器變得更有效率。雖然3.3V甚至2.5V電源比較常見(jiàn)，但1.8V電壓正在逐漸代替這些電壓。傳統(tǒng)耳機(jī)放大器在1.8V電壓下理論輸出功率只有10mW(進(jìn)32Ω負(fù)載)。然而，DirectDrive放大器能將放大器的供應(yīng)電壓加倍，因此對(duì)于相同的供應(yīng)電壓來(lái)說(shuō)它能輸出高達(dá)40mW的功率。這樣，放大器在現(xiàn)代系統(tǒng)中能夠運(yùn)行得更有效率，同時(shí)仍能產(chǎn)生足夠的音量。

4)2VRMS線路輸出放大器。在需要一個(gè)2VRMS音頻輸出的系統(tǒng)中DirectDrive產(chǎn)生的雙倍供電電壓還有第二個(gè)好處。通常這些系統(tǒng)已經(jīng)有一個(gè)5V電源了。但是與標(biāo)準(zhǔn)放大器相聯(lián)結(jié)的這個(gè)5V電源要輸出2VRMS是不夠的；要達(dá)到2VRMS輸出電平需要更高的電源電壓。由于DirectDrive方法對(duì)現(xiàn)有的電源電壓進(jìn)行了加倍，因此可以從5V電源得到超過(guò)2VRMS的輸出。

5)減少失真。最后，傳統(tǒng)耳機(jī)中使用的輸出電容會(huì)使音頻信號(hào)中的低頻成分產(chǎn)生很大的失真。在低頻拐角附近，電容的電壓系數(shù)使其變得非線性，并將失真引入音頻信號(hào)。某些情況下這種失真可高達(dá)1%，這樣的失真既能聽(tīng)到也能測(cè)到(圖6)。

圖6：來(lái)自于輸出耦合電容的失真。

6)通過(guò)消除耦合電容，DirectDrive消除了失真的根源。

小結(jié)：DirectDrive耳機(jī)放大器從多方面改進(jìn)了傳統(tǒng)的單電源耳機(jī)放大器。該技術(shù)降低了解決方案的尺寸，節(jié)省了成本，并且僅以少許芯片面積增加的代價(jià)顯著提高了音頻質(zhì)量。

作者：Adrian Rolufs

策略應(yīng)用工程師

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