立體聲耳機放大器設(shè)計挑戰(zhàn)暨“真實接地”方案

1、立體聲耳機放大器設(shè)計挑戰(zhàn)暨“真實接地”方案為了滿足消費者對耳機音頻質(zhì)量更高的要求，手機、和mp3播放器等便攜消費類設(shè)備需要高質(zhì)量的立體聲耳機。而設(shè)計人員在設(shè)計立體聲耳機放大器輸出段時，需要從橋接負載、耦合、虛擬接地及真切接地等不同挑選中選出更適合的計劃。這些不同的輸出段設(shè)計挑選各有其優(yōu)缺點，如橋接負載的動態(tài)范圍較大，支持單電源工作，但不兼容立體聲耳機；電容耦合兼容立體聲耳機，同時支持單電源工作，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。相比較而言，真切接地輸出設(shè)計體現(xiàn)出更多的應(yīng)用優(yōu)勢，如支持立體聲耳機，無需大解耦電容，從而節(jié)約板空間

2、及避開大電容可能較貴的成本，充實低頻響應(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)的全部信號的參考電平相同，將串擾減至最小，并支持帶4點插孔(4 points jack)的標準附件。特殊是采納這種設(shè)計的放大器更易于實現(xiàn)靜電放電(esd)/電磁干擾(emi)庇護。固然，采納真切接地也會付出占位面積方面的代價，這種立體聲放大器會比常規(guī)立體聲放大器尺寸大50%。但綜合來看，真切接地立體聲耳機放大器為客戶提供更多的應(yīng)用優(yōu)勢，成為客戶天經(jīng)地義的挑選。圖1：不同立體聲音頻放大器輸出段設(shè)計。1 “真切接地”輸出段設(shè)計的挑戰(zhàn)及解決計劃不過，對設(shè)計人員而言，立體聲耳機音頻放大器輸出段真切接

3、地設(shè)計并不簡單。由于與虛擬接地等其它設(shè)計支持單電源工作不同，真切接地設(shè)計中，放大器需要采納雙電源工作，即同時需要正電源和負電源電壓，而負電源電壓的產(chǎn)生并非易事?？梢钥紤]兩種計劃來產(chǎn)生負電壓。一是利用式降壓轉(zhuǎn)換器，二是利用電荷泵。電感式降壓轉(zhuǎn)換器采納電感作為儲能及傳遞能量的介質(zhì)(見圖2a)。這種計劃中，導(dǎo)通時，電感充電，充電方向如紅色線條所示，此時肖特基截止；mosfet關(guān)閉時，肖特基二極管導(dǎo)通，電感放電，放電電流方向如藍色線條所示，同時給電容充電。因為電容正極接地，故給電容的充的電壓為負電壓，即輸出為負電壓。這種產(chǎn)生負電壓的計劃效率極高，且能提供大電流，但其問題在于所采納的電感跟在輸出段移除的

4、電容尺寸一樣大、價格一樣貴，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。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，輸出負電壓，電路中采納電容作為儲能及傳遞能量的介質(zhì)。這種計劃中包含4個開關(guān)及2個電容(c1和c2)，見圖2b。所示，c1左側(cè)的兩個開關(guān)導(dǎo)通時，右側(cè)的兩個開關(guān)關(guān)閉，c1充電(見紅色線條)；下一個時序時，c1左側(cè)的兩個開關(guān)關(guān)閉，右側(cè)的兩個開關(guān)導(dǎo)通，c1放電，并給電容c2充電。因為c2正極接地，故c2上充的電壓是負電壓，即輸出負電壓。如今便攜產(chǎn)品中電荷泵電路的開關(guān)頻率越來越高，故不需要用法尺寸大、價格貴的大電容。這便是電荷泵計劃的一大優(yōu)勢，其它優(yōu)勢還包括在

5、產(chǎn)生負電壓時效率極高，這些優(yōu)勢讓其在產(chǎn)生負電壓方面?zhèn)涫芮嗖A。不過，在實際應(yīng)用中，還要注重一些問題，如要用法隔離晶體管，防止結(jié)二極管導(dǎo)電；且需要其它功能來恰當偏置隔離晶體管，確保結(jié)二極管反向偏置。圖2：兩種負電壓產(chǎn)生計劃的電路原理圖。從電源架構(gòu)來看，“真切接地”立體聲耳機音頻放大器采納“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)比音頻放大器挺直銜接在電池正極電壓(vbat)與電池負極電壓(-vbat)之間的系統(tǒng)高。而對便攜消費類產(chǎn)品而言，音頻放大器必需具有較高的pssr，從而避開受到電源與布線噪聲的干擾。圖3：ncp2811a(外部可調(diào)整增益)無電容立體

6、聲耳機功能框圖2 ncp2811 a/b無電容真切接地立體聲耳機放大器特性及優(yōu)勢安森美身為全球率先的高性能、高能效硅計劃供給商，為便攜消費應(yīng)用推出一系列的無噪聲音頻放大器，如用于揚聲器的ncp2991/0、ncp2892、ncp2890/ncv2890、ncp4894、ncp2820/20a/30，以及用于立體聲耳機的ncp2809和ncp2811。其中，ncp2809采納虛擬接地設(shè)計，而ncp2811是一款無電容(nocap?)真切接地立體聲耳機放大器。這器件采納“電荷泵+放大器”式電源架構(gòu)，應(yīng)用了真切接地設(shè)計，內(nèi)置的電荷泵架構(gòu)同時提供正電源電壓(vrp)及負電源電壓(vrm)，讓放大器輸出

7、段省下2個外部隔直(dc blocking)大電容，并能夠用法4點，讓麥克風(fēng)和耳機用法相同接地引腳，高效利用引腳資源。ncp2811在采納5 v電源電壓工作時，為16 ?的耳機負載提供100 mw功率，背景噪聲僅為7 vrms 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)噪聲消退電路，讓消費者不會聽到擾人的噪聲；-100 db的高pssr，進一步提高噪聲抑制水平；105 db的信噪比(snr)更是提升音質(zhì)，增加消費者音頻體驗質(zhì)量。這器件還抑制emi，且在關(guān)閉模式消耗極低的電流，協(xié)助延伸電池用法時光。ncp2811采納節(jié)約空間的

8、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包含兩個版本：ncp2811a為外部可調(diào)整增益版本，而ncp2811b為內(nèi)部固定增益版本。3 ncp2811外部元件挑選設(shè)計人員應(yīng)用ncp2811真切接地立體聲耳機變壓器時，還涉及到外部元件挑選的問題。如對外部可調(diào)整增益的ncp2811a而言，需要設(shè)定增益；而其閉環(huán)增益由rf和rin打算，建議閉環(huán)增益設(shè)定在1至10的范圍內(nèi)。在輸入端的電容挑選方面，輸入電阻rin + 輸入電容cin使高通阻隔低頻，cin的挑選應(yīng)使cin rin截止頻率(fc)低于20 hz

9、。而在電荷泵電容方面，應(yīng)該挑選低等效串聯(lián)電阻(esr)的陶瓷電容(建議x7r或x5r)；另外，在負電壓產(chǎn)生期間，飛跨(flying)電容(cfly)充當能量傳遞作用，而cpvm(參見圖3)電容起碼要等于cfly，使能量傳遞增至最大。最小的cfly和cpvm值是1 f(0402封裝尺寸)，可以挑選tdk的 c1005x5r0j105k及murata的grm155r60j105k19。解耦電容方面，同樣建議挑選x7r或x5r規(guī)格的低esr陶瓷電容，而且建議最低挑選1 f電容值。如前所述，ncp2811這樣的真切接地設(shè)計易于實現(xiàn)esd庇護。對于ncp2811而言，它基本上是高性能的，而運算放大器在驅(qū)

10、動電容性負載時會變得不穩(wěn)定。因此，假如設(shè)計中需要電容性esd庇護，建議在ncp2811輸出與esd庇護電路之間串聯(lián)增強2顆10 電阻，從而將電容性負載效應(yīng)降至最低。圖4：設(shè)計中需要電容性esd庇護時，建議在ncp2811輸出與esd庇護間串聯(lián)電阻4 總結(jié)便攜消費類設(shè)備需要高質(zhì)量的立體聲耳機放大器，滿足消費者對更佳音頻體驗的需求。立體聲耳機放大器輸出段設(shè)計有橋接負載、電容耦合、虛擬接地和真切接地等不同挑選，其中真切接地提供眾多的應(yīng)用優(yōu)勢，是客戶天經(jīng)地義的挑選。但真切接地設(shè)計中，放大器需要采納雙電源工作，其中的負電壓產(chǎn)生成犯難題。有利的是，安森美半導(dǎo)體推出ncp2811無電容(nocaptm)真切接地