從多方面改進傳統(tǒng)產(chǎn)品的DirectDrive耳機放大器技術

在電池供電的電子產(chǎn)品中使用的大部分傳統(tǒng)的耳機放大器都是工作在正電壓和地之間的單電源器件。這一設計導致在放大器中只能通過正極性信號。然而音頻信號天生是在正極性和負極性之間來回擺動的。因此，在傳統(tǒng)單電源供電放大器可以接受音頻信號之前，必須添加一個直流偏置。這個直流偏置典型值為電源電壓的一半，以獲得最大的信號擺動范圍(圖1)。

雖然直流偏置是放大所必需的，但揚聲器卻需要沒有直流偏置的信號。當直流偏置施加于揚聲器時，揚聲器喇叭會從其中間點移動至較接近紙盆最大偏移點的一側。這意味著該揚聲器不再能產(chǎn)生足夠無失真的聲壓。該直流信號還會導致直流能量在音頻線圈中散失，從而造成能量浪費及不必要地揚聲器加熱。在極端情況下，這種加熱會永久損壞揚聲器。

為了防止該直流偏置到達揚聲器，通常要使用一個隔直電容。這個電容與大部分阻抗負載相結合形成一個高通濾波器。由于典型的耳機負載相當于一個32Ω電阻，因此該電容必須相當大以避免阻塞音頻帶寬中需要的部分。如果需要擴展延伸是至20Hz，那么必須至少使用250μF的電容以確保20Hz時的衰減不會超過3dB。如果使用16Ω的耳機，則隔直電容必須至少達到500μF。雖然一些系統(tǒng)有足夠的空間容納相對便宜而且尺寸合適的鋁電解電容，但是大多數(shù)便攜式設備沒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節(jié)省空間和成本，但是要以犧牲達20Hz的平坦頻率響應為代價。圖2給出了幾種標準容量電容所產(chǎn)生的頻率響應。

圖2：具有16Ω負載的傳統(tǒng)耳機放大器的頻率響應。

DirectDrive耳機放大器技術

DirectDrive耳機放大器通過消除直流偏置省去了輸出端對隔直電容的需求。即使DirectDrive耳機放大器是由單電源供電，該放大器也能夠通過正、負極信號。負擺幅是通過采用板上電荷泵依據(jù)正電源幅度產(chǎn)生一個負電源而獲得的?，F(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所示實現(xiàn)零偏置。

圖3：采用DirectDrive技術的放大器輸出波形。

在DirectDrive設計中使用的電荷泵只需2個小陶瓷電容：其中1個快速電容器，另1個是保持電容。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輸出電容的耳機放大器相比，這些參數(shù)的結果是大大節(jié)省了空間，同時提供了更優(yōu)越的性能(圖4)。

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

DirectDrive技術的優(yōu)點

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

1)雜音抑制。DirectDrive技術一個最明顯的好處是大大減少了雜音。在用傳統(tǒng)耳機放大器時，每當放大器被啟動時輸出電容就被充電，而每當放大器關斷時輸出電容又放電。由于電流必須通過耳機，因此充放電過程能產(chǎn)生明顯的雜音(圖5)。通過去除電容器，DirectDrive消除了一個雜音的主要來源。

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

2)更好的低音表現(xiàn)。由隔直電容和阻性耳機負載形成的高通濾波器也有發(fā)聲效應。在大多數(shù)系統(tǒng)中，不可能放入電容后還會有20Hz至20kHz的平坦頻率響應。為了節(jié)省空間和成本，一般使用比理想電容更小的電容，從而導致低頻翻轉點的增加，最終對系統(tǒng)的低音表現(xiàn)產(chǎn)生不利影響。當采用16Ω耳機時更加劇了這種性能缺陷。典型系統(tǒng)都是為32Ω耳機設計的；當與16Ω耳機相連時，低頻拐角加倍，進一步削減了聽得見的低音頻率。

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技術允許耳機放大器直接在系統(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行，因此耳機放大器變得更有效率。雖然3.3V甚至2.5V電源比較常見，但1.8V電壓正在逐漸代替這些電壓。傳統(tǒng)耳機放大器在1.8V電壓下理論輸出功率只有10mW(進32Ω負載)。然而，DirectDrive放大器能將放大器的供應電壓加倍，因此對于相同的供應電壓來說它能輸出高達40mW的功率。這樣，放大器在現(xiàn)代系統(tǒng)中能夠運行得更有效率，同時仍能產(chǎn)生足夠的音量。

4)2VRMS線路輸出放大器。在需要一個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好處。通常這些系統(tǒng)已經(jīng)有一個5V電源了。但是與標準放大器相聯(lián)結的這個5V電源要輸出2VRMS是不夠的；要達到2VRMS輸出電平需要更高的電源電壓。由于DirectDrive方法對現(xiàn)有的電源電壓進行了加倍，因此可以從5V電源得到超過2VRMS的輸出。

5)減少失真。最后，傳統(tǒng)耳機中使用的輸出電容會使音頻信號中的低頻成分產(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。某些情況下這種失真可高達1%，這樣的失真既能聽到也能測到(圖6)。

圖6：來自于輸出耦合電容的失真。

6)通過消除耦合電容，DirectDrive消除了失真的根源。

小結：DirectDrive耳機放大器從多方面改進了傳統(tǒng)的單電源耳機放大器。該技術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顯著提高了音頻質量。

作者：Adrian Rolufs

策略應用工程師

美信集成產(chǎn)品公司