摘要：本文分析影響耳機放大器性能的關(guān)鍵參數(shù)，包括：PSRR、上電瞬態(tài)抑制以及PCB接地。所提供的解決方案僅關(guān)注一個應(yīng)用(耳機放大器)，采用MAX4410與MAX4298/MAX4299耳機放大器。

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對音頻設(shè)計人員的挑戰(zhàn)是制作與ASIC、處理器以及DC-DC轉(zhuǎn)換器共存的高性能、低噪聲模擬電路。例如，設(shè)想只影響典型音頻重放通路中一個元件――耳機驅(qū)動器的問題。

筆記本PC的耳機輸出在保持原始信號動態(tài)范圍的同時，必須用幅值達(dá)1Vrms的信號驅(qū)動低阻抗負(fù)載(典型值為32Ω；有時低至16Ω)。這個任務(wù)看起來簡單，但進(jìn)一步分析就會發(fā)現(xiàn)它所面對一些嚴(yán)酷現(xiàn)實：

• 在單電源供電時，耳機輸出必須保持動態(tài)范圍，而該電源電壓通常從DC-DC轉(zhuǎn)換器獲取，并與高速數(shù)字電路共用。
• 根據(jù)這些電路的信號幅值與負(fù)載阻抗，從電源吸取的電流峰值可達(dá)90mA。
• 關(guān)斷電源或耳機驅(qū)動器時，應(yīng)當(dāng)聽不見咔嗒聲與瞬態(tài)雜音。

電源噪聲

為了實現(xiàn)合理的信噪比，必須抑制電源噪聲對耳機放大器輸出的影響，并且耳機驅(qū)動器的電源抑制是降低信噪比的關(guān)鍵。例如，基于CD或DVD信號的動態(tài)范圍可能超過90dB。假定音頻電源電壓上存在100mV的噪聲，其頻譜成分的絕大部分位于音頻帶寬以內(nèi)，為了維持90dB動態(tài)范圍，必須將耳機輸出的噪聲降低至30μV左右。為了達(dá)到這一目的，在感興趣的頻率點耳機驅(qū)動器的PSRR必須超過70dB。

要在音頻頻帶獲得上述電源抑制比，必須采用考慮周全的設(shè)計方案，使放大器對音頻范圍內(nèi)的電源噪聲提供一定的抑制能力。瀏覽絕大多數(shù)運放的數(shù)據(jù)資料后會發(fā)現(xiàn)，PSRR在接近DC處通常較高，而隨著頻率增加，將急劇下降(通常是-20dB/十倍頻程)。在20kHz處，一些器件的PSRR低于40dB。

一些DC-DC轉(zhuǎn)換器在音頻頻譜的上端產(chǎn)生更高的噪聲成分。盡管可以證實在那些頻率上聽得到的成分很少，但是仍然可以在耳機輸出端測量到噪聲。請注意，關(guān)于內(nèi)置耳機驅(qū)動器的音頻DAC (或CODEC)，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)資料不會吸引讀者關(guān)注PSRR指標(biāo)。即使提及，也通常以電氣特性中的一個條目出現(xiàn)，而不會給出PSRR隨頻率的變化曲線。

由于絕大多數(shù)耳機放大器都不能提供足夠的PSRR，可以加入外部低壓穩(wěn)壓器(LDO)來凈化耳機放大器的電源。例如，為了在筆記本PC的音頻輸出端獲得足夠的電源噪聲抑制比，其中+5V仍然是通用的音頻電路電源電壓，而特定的節(jié)點通常被調(diào)節(jié)到4.7V左右。

像MAX4298/MAX4299 (超高PSRR立體聲驅(qū)動器)這樣的IC，通過對器件內(nèi)部的關(guān)鍵節(jié)點在內(nèi)部進(jìn)行微調(diào)提高了PSRR，遠(yuǎn)高于用其他方法獲得的PSRR。該方法使1kHz時的PSRR超過100dB，不再需要外部穩(wěn)壓器(圖1)。


圖1. 在典型的MAX4298應(yīng)用中，請注意220μF交流耦合電容阻礙了耳機的DC電壓。用可選的元件來控制斷電瞬變的幅值。

雜音抑制

雜音抑制是衡量IC能力的另一指標(biāo)，也就是將IC靜音或上電(或斷電)時出現(xiàn)的突發(fā)性噪音或令人恐慌的瞬態(tài)噪音減小到最小的能力。很難在輸出驅(qū)動器中獲得這樣的性能，這是因為對輸出驅(qū)動器來說，沒有下游電路可以被靜音，從而屏蔽出現(xiàn)的異常信號。若插入了耳機，那么無論用什么驅(qū)動都不可避免的造成音頻系統(tǒng)的瞬變性能。

耳機驅(qū)動器通常采用單電源供電，并通過大電容實現(xiàn)對塞孔輸出的AC耦合，如圖2所示。這樣的安排可以防止耳機兩端出現(xiàn)DC電壓，該DC電壓可能破壞耳機的驅(qū)動單元。工作過程中，由于電容的耳機側(cè)是地電勢，而放大器輸出偏置約為滿擺幅的一半，因此隔直電容兩端有電壓。接通電源時，必須將電容充電至工作電壓，但是允許流過該電容的電流必然流經(jīng)負(fù)載(耳機音頻線圈)。那么用什么方法才能防止該電流產(chǎn)生雜音信號呢？


圖2. 該電路是用于單電源產(chǎn)品中耳機驅(qū)動器的典型配置，其中包括串聯(lián)電容，與耳機阻抗一起構(gòu)成了高通濾波器 (為了阻斷來自耳機的DC所必需的)。

有些設(shè)計使用放大器輸出周邊的JFET與分立元件抑制充電電流，有些電路則提供RC時間常數(shù)減緩導(dǎo)通時的聲音瞬變，從而通過降低干擾頻率的含量，減少干擾因素。有的產(chǎn)品采用了背對背指數(shù)斜坡(S形)進(jìn)一步抑制上電引起的雜音。與RC指數(shù)方法不同的是，這種抑制方式不會引起dv/dt的突變。

斷電時的瞬變更難解決。放大器怎么才能在沒有電源的情況下控制輸出電容的放電？一種方法是為耳機放大器提供待機電源，該電源由電源接通時充滿電的電容提供，移去主電源之后，該電容還能提供足夠的能量從容地將放大器關(guān)斷。該技術(shù)的集成應(yīng)用(圖1)產(chǎn)生了如圖3所示的波形。


圖3. 這些波形說明接通VCC (t = -1s)和移去VCC (t = 0s)時對圖1所示電路的影響。這里沒有給出VCC。請注意，MAX4298輸出端(上面的曲線)的S形跳變在負(fù)載端產(chǎn)生的輸出干擾(下面的曲線)平滑且有限。受控的輸出將導(dǎo)通時的聲音瞬變限制在較低的電平，人耳對其不太敏感。

如圖3所示，利用附加元件使MAX4298斷電時的聲音瞬變受到控制，抑制上電的瞬態(tài)噪音。該技術(shù)涉及輔助VCC引腳(SVCC)的使用。提供VCC時，外部肖特基二極管為儲能電容充電，當(dāng)電源移去時，MAX4298的工作過程如下：

• 音頻靜音。
• 立體聲放大器還原到低瞬態(tài)電流模式，從SVCC引腳獲取電源。
• 輸出偏置電壓緩慢變化至地，通過鏡像上電波形、采用S形模式抑制上電瞬變，消除了dV/dt的突變。
• 儲能電容放電，由于輸出電壓為地，所以當(dāng)SVCC電源最終消失時，輸出音頻的瞬變可以忽略。

與眾不同的方法

上述方案為了達(dá)到一個不明確的指標(biāo)，需要付出相當(dāng)大的努力(需要在BOM上添加額外的線路)，而市場對這樣的特性評價不會很高。理想的方法是完全省去輸出電容，從而消除流經(jīng)耳機音頻線圈的充電或放電的影響。為耳機驅(qū)動提供直流耦合、0V輸出偏置，并用雙極性電源為放大器供電，就可以省去這些電容。

即使絕大多數(shù)電池供電設(shè)計都受單端電源的限制，設(shè)計者還有一些選擇。一種選擇是使用第三個放大器為耳機提供滿擺幅一半的偏置，這樣就產(chǎn)生了“偽0V”輸出偏置。由于主立體聲放大器的偏置也是滿擺幅的一半，于是可以省去DC耦合電容。因此，第三個放大器必須具備從兩個主放大器吸取并提供電流的能力，并足以處理任何耳機插頭(塞孔必須與機殼隔離)插入時的ESD放電。

另一種選擇是利用提供的正電源產(chǎn)生專用的負(fù)電源，或使用傳統(tǒng)的產(chǎn)生負(fù)電源的器件(圖4)。對這種方法來說，ESD與接地都不成問題，并且額外的電壓幅度使輸出電壓峰-峰值幾乎翻倍――采用+3V或小于+3V電源供電時，這是很有用的。


圖4. 為了實現(xiàn)放大器的雙電源供電，板上電荷泵將正電源電壓反相。不再需要串聯(lián)電容，不過需要為電荷泵提供小的陶瓷電容，陶瓷電容的使用減小了PCB板的面積。

MAX4410耳機放大器通過正電源引腳產(chǎn)生內(nèi)部負(fù)電源。由于放大器的直流輸出偏置為0V，因此不需要輸出電容。內(nèi)部鎖定電路防止由于過低或上電、斷電過程中的電源電壓引起的偽操作，因此沒有雜音。由于放大器輸出電壓擺幅幾乎是單電源電壓的兩倍，因此還可以獲得其他優(yōu)點，包括更大的信號擺幅以及更大的輸出功率。

進(jìn)一步的障礙

目前正在進(jìn)行的設(shè)計在產(chǎn)品投放市場之前通常會做出許多妥協(xié)。例如，ESD的要求可能需要在耳機驅(qū)動器與塞孔之間有磁珠或其他EMC措施。這些元件在音頻范圍內(nèi)可能構(gòu)成很大的阻抗，可能引起串?dāng)_問題與輸出功率損耗。不過，仔細(xì)的設(shè)計與Kelvin測量技術(shù)可以再現(xiàn)良好的音頻性能。

耳機返回電流也需要考慮。電流增加到100mA時，地平面或PCB引線上有限的阻抗可能產(chǎn)生顯著的IR跌落。相似的機制在與DC-DC轉(zhuǎn)換器共地時會使SNR變差。為了解決類似問題，使用專門的返回引線或覆銅會有所幫助。

數(shù)字化的未來？

除非數(shù)字輸入耳機飛速發(fā)展，否則驅(qū)動耳機插孔的電路仍需要采用模擬電路。D類設(shè)計可以維持?jǐn)?shù)字音頻通路直至放大器輸出的性能，盡管需要濾波元件以保持效率，降低EMI。PSRR與雜音抑制仍會影響系統(tǒng)性能，所以在相當(dāng)長的一段時間里，模擬硬件設(shè)計仍有重要意義。