1、前言 耳机驱动器面临新的挑战
当今消费者对于高端娱乐的需求不断增长,犹如在使用便携式设备(如笔记本电脑等)时能享受着聆听音乐、影视剧和新闻的崭新方式,同时还要求灵活性更强、品质更佳的多功能产品, 以获得在移动或固定使用状态下获得最佳聆听体验.
据此,对音频设计人员的挑战是制作设计出与ASIC、处理器以及DC-DC转换器共存的高性能、低噪声模拟电路.而便携式系统中的低噪声模拟电路-耳机放大器实际为一小型动的功率放大器,其输出功率虽然可能只有≤0.5W,但却能推动低输入阻抗的负载并为耳机提供所需的电源.应该说,它是影响典型音频重放通路中的一个关键元件.为什么这样讲呢?主要考虑耳机驱动器面临着如下新的挑战:
*便携式系统(如笔记本PC)的耳机驱动器输出在保持原始信号动态范围的同时,必须用幅值达1Vrms的信号驱动低阻抗负载(典型值为32Ω或有时低至16Ω).这个要求看起来简单,但进一步分析就会发现它所面临的电源环境令人烦恼,即在单电源供电时,耳机输出必须保持动态范围,而该电源电压通常要从DC-DC转换器获取,并要与高速数字电路共用,这就带来苛刻要求.
*根据这些耳机驱动器电路的信号幅值与负载阻抗,要从DC-DC电源吸取的电流峰值可达90mA,这无疑将使DC-DC电源产生较大纹波.
*关断电源或耳机驱动器时,应当听不见咔嗒声与瞬态杂音,这无疑也将增加技术措施.
根据国际电工委员会(IEC)的标准,对高保真(Hi-Fi)耳机的最低电声标准有如下规定见表1所示)
从上述可看出, 要制作出并能嵌入便携式系统中的能高性能、低噪声耳机驱动器.实际上是妥要解决一系列的干扰因素,即电源噪声、杂音抑制等技术问题,才能得到实现.
2、关于电源噪声的起因与抑制
2.1首先分析一下引起电源噪声原因才能找出抑制的方案.
*电源的干扰:交流电上那些耗电极大的强功率动力装置便会产生噪声干扰;
*自身产生干扰:便携式系统自身也是一种产生电磁干扰的干扰源,如笔记本电脑以及任何使用微处理器的便携式设备都会通过各自的电源线向市电电源中加进噪声干扰;
*便携式系统还会通过交流地源的地线将其它便携式设备传送噪声,这是因为无论是AC变换成DC或DC-DC变换器,其直流电源时地线上的数字噪声便可能会进入前置放大器;又如当直流整流电源的电容漏电时, DC-DC上噪声也会进入地线.
2.2电源噪声的抑制方案
由此看来,为了实现合理的信噪比,其关键是必须抑制电源噪声对耳机放大器输出的影响.例如,基于CD或DVD信号的动态范围可能超过90dB.假定音频电源电压上存在100mV的噪声,其频谱成分的绝大部分位于音频带宽以内,为了维持90dB动态范围,必须将耳机输出的噪声降低至30ΜV左右.为了达到这一目的,在感兴趣的频率点耳机驱动器的PSRR(电源供应抑制比率)必须超过70dB.
要在音频频带获得上述电源抑制比,必须采用考虑周全的设计方案,使放大器对音频范围内的电源噪声提供一定的抑制能力.浏览绝大多数运放的数据资料后会发现,PSRR在接近DC电压处通常较高,而随着频率增加,将急剧下降(通常是-20dB/十倍频程).在20kHz处,一些器件的PSRR低于40dB.
一些DC-DC转换器在音频频谱的上端产生更高的噪声成分.尽管可以证实在那些频率上听得到的成分很少,但是仍然可以在耳机输出端测量到噪声.
由于绝大多数耳机放大器都不能提供足够的PSRR,为此可以加入外部低压差稳压器(LDO)来净化耳机放大器的电源.如何设计或配置出加入外部低压差稳压器(LDO)呢?
2.21那就是用低功运算放大器来构成减少音频纹波电路(见图1所示)而在便携式应用中(例如移动电话和多媒体笔记本电脑中),它为驱动频音电路提供了纯净的5V电源.大多数线性稳压器只能抑制高至1000Hz左有的噪声,若采用传统的低频无源滤波器,则体积会增大使之在便携式应用中不受欢迎,而图1所示的电路减少音频纹波达40dB.
图1所示的电路的分析
图1所示的电路接受4.5V至6V范围内带噪声的VCC,通过由MAX495低功耗运算放大器构成电路将输出Vout为0.93*VIN的无噪声的直流电平Vcc.例如,在输出电流IOUT为1A时它可从额定5V的电源产生4.65V,而静态电流仅200ΜA.其图1所示的电路特是是外形非常小:只有一个S0T23晶体管,—个ΜMAX(缩小SO-8)运故,以及-几个无源元件.最大的电容器是10ΜF,电阻可以是0.1W或其表面安装(SMT)型.
工作时,该音频纹波电路起宽带缓冲电压跟随器的作用(不是稳压器),其Vout直流输出电平比VIN低7%(即为4.65V),R1和R3构成分压器它提供7%的衰减,C4有助于在运放反相输入端形成经滤波其幅度为4.65V(VIN*93%)的电压,运放的小输入偏置电流(典型值为25nA)允许大的R1和R3阻值,还把最大直流误差限至仅20mV.其结果是形成了拐角频率为2Hz,在20Hz频率下提供20dB衰减的低通滤波器.
由于运放MAX495的共摸输入范围扩展到电源电压,所以其非反相输入端可直接对输出电压取样.运放的电源电压由R2和C5滤波,提供低的输出阻抗并在高频时对运放具有较好的电源抑制.此滤波器300Hz的向上转移频率增大了运放的PSRR(电源供应抑制比率已达可观的110dB).
这就是为了在便携式设备(如笔记本电脑)的音频输出端获得足够的电源噪声抑制比,用+5V作为通用的音频电路电源电压,而特定的节点通常被调节到4.65V-4.7左右.
2.22另一种应用方案是不再需要外部稳压器,而通过对器件内部的关键节点在内部进行微调以提高PSRR.此方法远高于用其他方法获得的PSRR,使1kHz时的PSRR超过100dB.
值此以超高PSRR立体声驱动器MAX4298/MAX4299 的IC1为例(见图2所示)作一说明.
图2为更佳的16Ω耳机驱动器,能提供满摆幅输出,并于22KHz处提供>90dB的SRR(电源供应抑制比率),不再需要外部稳压器,而是通过内置3.3V 100mA的LDO(低压差稳压器)通对器件内部的关键节点,在内部进行微调以提高PSRR,远高于用其他方法获得的PSRR,而较高的PSRR可以保证在嘈杂的数字电源下提供高品质音频特性见图3所示PASS(dB)与频率曲线,即解决了可直接由嘈杂的数字电源驱动耳机的技术问题.该超高PSRR立体声驱动器也是一种更有效的无咔嗒声/砰然声的电路,需注意的是图2中CAC 220μF交流耦合电容它可阻碍了耳机的DC电压,只要用可选的元件(用>100ΜF的钽电容)就可控制断电瞬变的幅.(具体分析在下述第3节)
需要说明的是图2中与MAX4299相连的IC2 CODECM为编解码器是一种完成双重功能的设备,它能把双路模拟数据编码成数字信号;也可把双路数字数据编码成模拟数据输出(LOUT与ROUT),也是本连接所用之功能,即DAC CODECM与MAX4299配合相连成为CODEC/耳机驱动器方案,使MAX4299成为一款集成的咔嗒/砰声抑制器.
MAX4299与MAX4298之区别在于:MAX4299具有内置3.3V 100mA的LDO(低压差稳压器)它可提供一给路纯净的3.3v/100mA输出用于驱动CODEC;还有内置的麦克风放大器.若只用MAX4298则无CODEC设备相连按接与内置LDO稳压器,则2路音频输入信号分别通过电阻Rin(10K)与电容(Cin)与MAX4298的IN1与IN2相连即可.
3、杂音抑制的方案
3.1杂音的抑制
所谓杂音抑制,就是在耳机驱动器静音或上电(或断电)时出现的突发性噪音或令人厌烦的瞬态噪音减小到最小的能力,它是衡量耳机驱动器能力的另一指标.该指标很难在输出驱动器中获得较好的性能,这是因为对输出驱动器来说,没有下游电路可以被静音,无法将出现的异常信号屏蔽掉.若插入了耳机,那么无论用什么驱动都不可避免的造成音频系统的瞬变性能.
耳机驱动器通常采用单电源供电,并通过大电容CAC(220μF)实现对塞孔输出的AC耦合,如图2所示.这样的安排可以防止耳机两端出现DC电压,是因该DC电压可能破坏耳机的驱动单元.在工作过程中,由于电容CAC的耳机侧是地电势,而放大器输出偏置约为满摆幅的一半,因此隔直电容两端有电压,就是满摆幅的一半.但当接通电源时,必须将电容充电至工作电压Vcc,但是允许流过该电容的电流必然流经负载(耳机音频线圈),从带来上电杂音,这需要抑制.
3.2杂音抑制的典型配置-高通滤波器的应用
3.21上电杂音抑制
从图2中框图内放大器与串联电容并与耳机阻抗一起构成的高通滤波器电路就是用于单电源产品中耳机驱动器的典型配置,见图4所示中高通滤波器是为了阻断来自耳机的DC电压所必需的;而串联电容量必须>100ΜF并且是钽电解,以便更好的在耳机上获得音频信号;其耳机阻抗应是对地为16Ω或32Ω.
当然有些设计是使用放大器输出周边的JFET(连结式场效应管)与分立元件抑制充电电流,有些电路则提供RC时间常数减缓导通时的声音瞬变,从而通过降低干扰频率的含量,减少干扰因素.有的采用了背对背指数斜坡(S形)技术进一步抑制上电引起的杂音.与RC指数方法不同的是,这种抑制方式不会引起dv/dt的突变.
3.22断电时的瞬变杂音抑制
断电时的瞬变更难解决.放大器怎么才能在没有电源的情况下控制输出电容的放电?一种方法是为耳机放大器提供待机电源,该电源由电源接通时充满电的电容VCAC提供,主电源断电时,该电容还能提供足够的能量从容地将放大器关断.上图2的MAX4298/4299技术的集成就技术的应用,它所产生的无咔嗒声/砰然声的上电/断电循环波形图示图5所示.
从图5这些波形可看出,当接通Vcc (t = -1s)和移去VCC (t = 0s)时对图2所示电路的作用.这里没有给出Vcc.需要注意的是,MAX4298输出端VOUT(上面的红曲线)的S形跳变在负载(耳机)端产生的输出干扰(下面的Vspeaker兰色曲线)有平滑而且是有限的,但受控制的输出VOUT将导通时的声音瞬变限制在较低的电平,则人耳对其不太敏感.还利用附加元器件IC2或反馈电阻RF(在图2所示可见)使MAX4298/4299断电时的声音瞬变受到控制,抑制上电的瞬态噪音.
3.3关于断电时无咔嗒声/砰然声工作过程及辅助VCC引脚(SVCC)的使用的分析.
从图2可知,当提供VCC时,外部肖特基二极管V1为储能电容充电,当电源移去时,MAX4298/4299的工作过程如下:
*音频静音;
*立体声耳机驱动器还原到低瞬态电流模式,从SVCC引脚获取电源;
*输出偏置电压缓慢变化至地,通过镜像上电波形、采用S形(如图5中Vout曲线)的模式抑制上电瞬变,消除了dV/dt的突变;
*储能电容放电,由于输出电压为地,所以当SVCC电源最终消失时,输出音频的瞬变可以忽略.
4、新型技术的使用
上述方法的不足.用上述方法为了达到一个不明确的指标,需要付出相当大的努力(需要在耳机信号前端添加额外的线路),而市场对这样的特性评价不会很高.理想的方法是完全省去输出电容,从而消除流经耳机音频线圈的充电或放电的影响.为耳机驱动提供直流耦合、0V输出偏置,并用双极性电源为放大器供电,就可以省去这些电容.
4.1新方法之一,使用第三个放大器
即使绝大多数电池供电设计都受单端电源的限制,设计者还有一些选择.一种选择是使用第三个放大器为耳机提供满摆幅一半的偏置,这样就产生了“伪0V”输出偏置.由于主立体声放大器的偏置也是满摆幅的一半,从而可以省去DC耦合电容.因此,第三个放大器必须具备从两个主放大器吸取并提供电流的能力,并足以处理任何耳机插头(塞孔必须与机壳隔离)插入时的ESD(静电释放)放电.
4.2新方法之二,利用提供的正电源产生专用的负电源(见图6).
对这种方法来说,ESD与接地都不成问题,并且额外的电压幅度使输出电压峰-峰值几乎翻倍,这对采用+3V或小于+3V电源供电时,这是很有用的.
采用MAX4410耳机放大器不失为理想配置其内部特征框图见图6所示.之所以采用MAX4410耳机放大器是具有以下主要特征:
*为了实现放大器的双电源供电,板上电荷泵将正电源电压反相.不再需要串联电容,不过需要为电荷泵提供小的陶瓷电容,陶瓷电容的使用减小了pcb板的面积.
*MAX4410是一个专门设计的器件,MAX4410 Vcc可在1.8V-3.6V单电源下工作,参照于地的输出,MAX4410能够输出80mW给16Ω负载,具有极低的0.005%的THD+N(总和谐失真与噪声),并提供±8KV的ESD保护和90dB PSRR(电源供应抑制比率),无需外部LDO;为14引脚TSSOP型封装,它在内部结合了一个立体声耳机驱动器和一个从+3V电源产生-3V电源的反相电荷泵.并在内部±3v电源的驱动下,MAX4410内部的放大器每路输出(OUTR或OUTL)可提供6Vp-p的摆(振)幅,以及更大的输出功率.
*MAX4410耳机放大器通过正电源引脚产生内部负电源.由于放大器的直流输出偏置为0V,因此不需要输出电容.内部锁定电路防止由于过低或上电、断电过程中的电源电压引起的伪操作,因此没有杂音.
5、结语
由上分折可看出便携式设备内耳机驱动电路直接影响音频高品质,所以正确灵活的设计、配置与使用耳机驱动电路非常关键.除非数字输入耳机飞速发展,否则驱动耳机插孔的电路仍需要采用模拟电路.虽则如今D类各放大器设计可以维持数字音频通路直至放大器输出的性能,但不尽完美,其PSRR(电源供应抑制比率)与杂音抑制仍会影响系统性能,所以掌握好多种模拟硬件设计技术,在相当长的一段时间里具有重要意义.
