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摘要：本文分析影響耳機(jī)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(gè)應(yīng)用(耳機(jī)放大器)，采用MAX4410與MAX4298/MAX4299耳機(jī)放大器。
對(duì)音頻設(shè)計(jì)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(gè)元件――耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的問(wèn)題。
筆記本PC的耳機(jī)輸出在保持原始信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，必須用幅值達(dá)1Vrms的信號(hào)驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載(典型值為32Ω；有時(shí)低至16Ω)。這個(gè)任務(wù)看起來(lái)簡(jiǎn)單，但進(jìn)一步分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)它所面對(duì)一些嚴(yán)酷現(xiàn)實(shí)：
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(jì)方案，使放大器對(duì)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(yùn)放的數(shù)據(jù)資料后會(huì)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(shí)在那些頻率上聽(tīng)得到的成分很少，但是仍然可以在耳機(jī)輸出端測(cè)量到噪聲。請(qǐng)注意，關(guān)于內(nèi)置耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的音頻DAC (或CODEC)，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)資料不會(huì)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(gè)條目出現(xiàn)，而不會(huì)給出PSRR隨頻率的變化曲線。
由于絕大多數(shù)耳機(jī)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(lái)凈化耳機(jī)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(diǎn)通常被調(diào)節(jié)到4.7V左右。
像MAX4298/MAX4299 (超高PSRR立體聲驅(qū)動(dòng)器)這樣的IC，通過(guò)對(duì)器件內(nèi)部的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)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(shí)的PSRR超過(guò)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(qǐng)注意220μF交流耦合電容阻礙了耳機(jī)的DC電壓。用可選的元件來(lái)控制斷電瞬變的幅值。
耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常采用單電源供電，并通過(guò)大電容實(shí)現(xiàn)對(duì)塞孔輸出的AC耦合，如圖2所示。這樣的安排可以防止耳機(jī)兩端出現(xiàn)DC電壓，該DC電壓可能破壞耳機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元。工作過(guò)程中，由于電容的耳機(jī)側(cè)是地電勢(shì)，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(shí)，必須將電容充電至工作電壓，但是允許流過(guò)該電容的電流必然流經(jīng)負(fù)載(耳機(jī)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(hào)呢？
圖2. 該電路是用于單電源產(chǎn)品中耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型配置，其中包括串聯(lián)電容，與耳機(jī)阻抗一起構(gòu)成了高通濾波器 (為了阻斷來(lái)自耳機(jī)的DC所必需的)。
有些設(shè)計(jì)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(shí)間常數(shù)減緩導(dǎo)通時(shí)的聲音瞬變，從而通過(guò)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(duì)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(huì)引起dv/dt的突變。
斷電時(shí)的瞬變更難解決。放大器怎么才能在沒(méi)有電源的情況下控制輸出電容的放電？一種方法是為耳機(jī)放大器提供待機(jī)電源，該電源由電源接通時(shí)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(shuō)明接通VCC (t = -1s)和移去VCC (t = 0s)時(shí)對(duì)圖1所示電路的影響。這里沒(méi)有給出VCC。請(qǐng)注意，MAX4298輸出端(上面的曲線)的S形跳變?cè)谪?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(shí)的聲音瞬變限制在較低的電平，人耳對(duì)其不太敏感。
如圖3所示，利用附加元件使MAX4298斷電時(shí)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(shí)，外部肖特基二極管為儲(chǔ)能電容充電，當(dāng)電源移去時(shí)，MAX4298的工作過(guò)程如下：
即使絕大多數(shù)電池供電設(shè)計(jì)都受單端電源的限制，設(shè)計(jì)者還有一些選擇。一種選擇是使用第三個(gè)放大器為耳機(jī)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(gè)放大器必須具備從兩個(gè)主放大器吸取并提供電流的能力，并足以處理任何耳機(jī)插頭(塞孔必須與機(jī)殼隔離)插入時(shí)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(duì)這種方法來(lái)說(shuō)，ESD與接地都不成問(wèn)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(shí)，這是很有用的。
圖4. 為了實(shí)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(guò)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(jī)放大器通過(guò)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(guò)低或上電、斷電過(guò)程中的電源電壓引起的偽操作，因此沒(méi)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(diǎn)，包括更大的信號(hào)擺幅以及更大的輸出功率。
耳機(jī)返回電流也需要考慮。電流增加到100mA時(shí)，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(jī)制在與DC-DC轉(zhuǎn)換器共地時(shí)會(huì)使SNR變差。為了解決類似問(wèn)題，使用專門(mén)的返回引線或覆銅會(huì)有所幫助。
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筆記本PC的耳機(jī)輸出在保持原始信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，必須用幅值達(dá)1Vrms的信號(hào)驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載(典型值為32Ω；有時(shí)低至16Ω)。這個(gè)任務(wù)看起來(lái)簡(jiǎn)單，但進(jìn)一步分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)它所面對(duì)一些嚴(yán)酷現(xiàn)實(shí)：
- 在單電源供電時(shí)，耳機(jī)輸出必須保持動(dòng)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(hào)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(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，應(yīng)當(dāng)聽(tīng)不見(jiàn)咔嗒聲與瞬態(tài)雜音。
電源噪聲
為了實(shí)現(xiàn)合理的信噪比，必須抑制電源噪聲對(duì)耳機(jī)放大器輸出的影響，并且耳機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)的動(dòng)態(tài)范圍可能超過(guò)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(dòng)態(tài)范圍，必須將耳機(jī)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(diǎn)耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PSRR必須超過(guò)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(jì)方案，使放大器對(duì)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(yùn)放的數(shù)據(jù)資料后會(huì)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(shí)在那些頻率上聽(tīng)得到的成分很少，但是仍然可以在耳機(jī)輸出端測(cè)量到噪聲。請(qǐng)注意，關(guān)于內(nèi)置耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的音頻DAC (或CODEC)，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)資料不會(huì)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(gè)條目出現(xiàn)，而不會(huì)給出PSRR隨頻率的變化曲線。
由于絕大多數(shù)耳機(jī)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(lái)凈化耳機(jī)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(diǎn)通常被調(diào)節(jié)到4.7V左右。
像MAX4298/MAX4299 (超高PSRR立體聲驅(qū)動(dòng)器)這樣的IC，通過(guò)對(duì)器件內(nèi)部的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)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(shí)的PSRR超過(guò)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(qǐng)注意220μF交流耦合電容阻礙了耳機(jī)的DC電壓。用可選的元件來(lái)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(shí)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(dòng)器中獲得這樣的性能，這是因?yàn)閷?duì)輸出驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，沒(méi)有下游電路可以被靜音，從而屏蔽出現(xiàn)的異常信號(hào)。若插入了耳機(jī)，那么無(wú)論用什么驅(qū)動(dòng)都不可避免的造成音頻系統(tǒng)的瞬變性能。耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常采用單電源供電，并通過(guò)大電容實(shí)現(xiàn)對(duì)塞孔輸出的AC耦合，如圖2所示。這樣的安排可以防止耳機(jī)兩端出現(xiàn)DC電壓，該DC電壓可能破壞耳機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元。工作過(guò)程中，由于電容的耳機(jī)側(cè)是地電勢(shì)，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(shí)，必須將電容充電至工作電壓，但是允許流過(guò)該電容的電流必然流經(jīng)負(fù)載(耳機(jī)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(hào)呢？
圖2. 該電路是用于單電源產(chǎn)品中耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型配置，其中包括串聯(lián)電容，與耳機(jī)阻抗一起構(gòu)成了高通濾波器 (為了阻斷來(lái)自耳機(jī)的DC所必需的)。
有些設(shè)計(jì)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(shí)間常數(shù)減緩導(dǎo)通時(shí)的聲音瞬變，從而通過(guò)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(duì)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(huì)引起dv/dt的突變。
斷電時(shí)的瞬變更難解決。放大器怎么才能在沒(méi)有電源的情況下控制輸出電容的放電？一種方法是為耳機(jī)放大器提供待機(jī)電源，該電源由電源接通時(shí)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(shuō)明接通VCC (t = -1s)和移去VCC (t = 0s)時(shí)對(duì)圖1所示電路的影響。這里沒(méi)有給出VCC。請(qǐng)注意，MAX4298輸出端(上面的曲線)的S形跳變?cè)谪?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(shí)的聲音瞬變限制在較低的電平，人耳對(duì)其不太敏感。
如圖3所示，利用附加元件使MAX4298斷電時(shí)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(shí)，外部肖特基二極管為儲(chǔ)能電容充電，當(dāng)電源移去時(shí)，MAX4298的工作過(guò)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(guò)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(chǔ)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(shí)，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(gè)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(chǎng)對(duì)這樣的特性評(píng)價(jià)不會(huì)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(jī)音頻線圈的充電或放電的影響。為耳機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)都受單端電源的限制，設(shè)計(jì)者還有一些選擇。一種選擇是使用第三個(gè)放大器為耳機(jī)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(gè)放大器必須具備從兩個(gè)主放大器吸取并提供電流的能力，并足以處理任何耳機(jī)插頭(塞孔必須與機(jī)殼隔離)插入時(shí)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(duì)這種方法來(lái)說(shuō)，ESD與接地都不成問(wèn)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(shí)，這是很有用的。
圖4. 為了實(shí)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(guò)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(jī)放大器通過(guò)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(guò)低或上電、斷電過(guò)程中的電源電壓引起的偽操作，因此沒(méi)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(diǎn)，包括更大的信號(hào)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(jì)在產(chǎn)品投放市場(chǎng)之前通常會(huì)做出許多妥協(xié)。例如，ESD的要求可能需要在耳機(jī)驅(qū)動(dòng)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(wèn)題與輸出功率損耗。不過(guò)，仔細(xì)的設(shè)計(jì)與Kelvin測(cè)量技術(shù)可以再現(xiàn)良好的音頻性能。耳機(jī)返回電流也需要考慮。電流增加到100mA時(shí)，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(jī)制在與DC-DC轉(zhuǎn)換器共地時(shí)會(huì)使SNR變差。為了解決類似問(wèn)題，使用專門(mén)的返回引線或覆銅會(huì)有所幫助。
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