可改善耳機(jī)的音頻輸出的直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)

為了獲得盡可能大的動(dòng)態(tài)范圍，傳統(tǒng)的單電源耳機(jī)放大器都會(huì)在輸出級(jí)增加一個(gè)直流偏壓。一般而言，這個(gè)直流偏壓的值會(huì)被設(shè)為1/2VCC。因此，輸出級(jí)和耳機(jī)之間就必須增加一個(gè)大容量的交流耦合電容，來(lái)隔離直流(220uF)。圖1給出了這種電路的簡(jiǎn)化圖。

如果沒(méi)有這個(gè)隔直電容，就會(huì)使大的直流電流毫無(wú)阻隔的流入耳機(jī)，造成不必要的功率損耗，甚至可能損壞耳機(jī)和耳機(jī)放大器。但增加的隔直電容需要足夠大的容量，因此又會(huì)增加電路的體積和成本。并且，這個(gè)隔直電容和耳機(jī)的阻抗負(fù)載構(gòu)成了一個(gè)RC高通濾波器。-3dB截止頻率點(diǎn)由下式?jīng)Q定：

f_-3dB=1/(2πR_LC_OUT)

R_L是耳機(jī)負(fù)載阻抗，C_OUT是輸出隔直電容。

值得注意的是，這個(gè)高通濾波器會(huì)對(duì)低頻信號(hào)造成衰減，劣化放大器電路的低頻響應(yīng)，造成音頻信號(hào)的失真。大容量的輸出隔直電容可以減小低頻信號(hào)的衰減效應(yīng)，但缺點(diǎn)是電容的體積太大、價(jià)格也頗為昂貴。圖2給出了不同容值的隔直電容的低頻衰減特性?？梢悦黠@注意到，當(dāng)耳機(jī)負(fù)載為16Ω、輸出隔直電容為100uF時(shí)，其-3dB截止頻率點(diǎn)為100Hz，正好落在音頻范圍內(nèi)，造成低頻信號(hào)的衰減。

電容電壓的變化所引起的電容值變化，被稱作電容的電壓系數(shù)。在-3dB衰減頻率點(diǎn)時(shí)，電容主要呈電抗特性，電壓系數(shù)表現(xiàn)為與頻率相關(guān)的失真。圖3顯示了由隔直電容引起的失真，可以看到，在100Hz以下的低頻，THD+N急劇增高。

MAXIM公司專利的音頻放大器直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)克服了上述缺點(diǎn)。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的核心是采用充電泵電路產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部負(fù)壓，使耳機(jī)放大器的直流偏置點(diǎn)就在電源的地電平上。從電路上看，輸出端不再需要容量高達(dá)220uF的隔直電容，而只是增加了充電泵電路需要的兩個(gè)小電容(1uF)。因此，電路的體積和成本都得到了大幅降低。并且，改進(jìn)后的輸出動(dòng)態(tài)范圍幾乎是傳統(tǒng)電路的兩倍，由于去掉了隔直電容，頻率響應(yīng)也得以改善。圖4是采用了直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的MAX4410的簡(jiǎn)單示意圖。

圖5是采用MAX4410的耳機(jī)放大器的典型電路。與傳統(tǒng)電路相比，它有以下優(yōu)點(diǎn)：

不再需要大容量的輸出隔直電容(典型值為100μF-470μF)，同時(shí)還能消除由電容的電壓系數(shù)效應(yīng)引起的THD失真。

-3dB截頻點(diǎn)由輸入電阻和電容決定。根據(jù)圖5電路中的輸入電阻和電容值得到的截頻點(diǎn)在1.6Hz附近。而在傳統(tǒng)AC耦合輸出的電路中，16Ω耳機(jī)需要6200μF的輸出隔直電容才能達(dá)到1.6Hz的低頻-3dB截頻點(diǎn)。這在實(shí)際應(yīng)用中幾乎是不可能的。而且，圖5電路的低頻響應(yīng)也不再與負(fù)載相關(guān)。

開(kāi)關(guān)/切換噪聲消除電路

在傳統(tǒng)的單電源耳機(jī)放大器電路中，隔直電容是開(kāi)關(guān)/切換噪聲的主要來(lái)源。因?yàn)樵谏想姇r(shí)，隔直電容被充電到直流偏置電壓；關(guān)電時(shí)，則又要從直流偏置電壓放電到地電平。在這一瞬態(tài)過(guò)程中，耳機(jī)上會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲。MAXIM直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)去掉了隔直電容，也就去掉了開(kāi)關(guān)/切換噪聲的最大來(lái)源。同時(shí)，MAXIM的音頻放大器還采用了額外的降噪控制電路，可在電源開(kāi)關(guān)時(shí)去除輸入部分的開(kāi)關(guān)/切換噪聲。在大多數(shù)應(yīng)用中，MAX4410的前級(jí)驅(qū)動(dòng)器都會(huì)有一個(gè)直流偏置，通常為VCC的一半。

在上電啟動(dòng)過(guò)程中，輸入耦合電容通過(guò)MAX4410的R_F被充電到這個(gè)直流偏置電壓上，引發(fā)一次輸入電容的電壓波動(dòng)，形成人耳可感知的開(kāi)關(guān)/切換噪聲。與前級(jí)驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的輸入濾波器R_IN和C_IN構(gòu)成一個(gè)時(shí)間常數(shù)，MAX4410通過(guò)上電時(shí)延遲/SHDN關(guān)斷控制腳的上升時(shí)間，大約為4到5倍輸入RC電路時(shí)間常數(shù)(200～300ms)，將這個(gè)與輸入相關(guān)的開(kāi)關(guān)噪聲去除掉。

如圖6所示，在電源開(kāi)關(guān)過(guò)程中，輸出信號(hào)的頻譜中的音頻成分降到了最低。