傳統的耳機放大器

大多數電池供電的電子產品中所采用的傳統的耳機放大器都是采用單電源供電，信號擺幅介于正電壓和地電平之間。這種設計的結果使放大器只能通過正電壓信號。然而，音頻信號通常是正負變化的。因此傳統的單電源放大器在接受音頻信號以前，需要加入直流偏壓。這個直流偏壓通常是供電電壓的一半，以實現最大信號擺幅(圖1)。


圖1. 傳統的輸出波形

雖然直流偏壓對于放大電路來說是必需的，但揚聲器卻要求信號不帶直流偏壓。當揚聲器上接入了直流偏壓時，揚聲器振盆將由其中間平衡點向最大偏移點一側偏移。這意味著揚聲器在不失真的情況下將無法產生太大的聲壓。直流電平同時還會在揚聲器線圈中引入直流損耗，從而增加了功耗并使揚聲器造成不必要的發熱。在極端情況下，這樣的發熱可能會永久損壞揚聲器。

為實現揚聲器與直流偏壓的隔離，通常需要使用隔直電容。這一電容與大多數情況下連接的阻性負載一起構成了高通濾波器。由于典型的耳機負載等效為一個32Ω的電阻，電容容值必須足夠大，以避免濾除音頻帶寬中的有用部分。假如有效帶寬下限為20Hz，必須采用最小250µF的電容，以確保在20Hz處的衰減最大不超過3dB。如果采用16Ω的耳機，則最小需要500µF的隔直電容。雖然有些系統有足夠的空間可以采用這類大尺寸的廉價鋁電解電容，但大多數便攜式設備還是沒有足夠的空間容納這么大電容。對于后者，必須使用比較昂貴的鉭電容以節省空間，但即便是采用這類電容仍需占用很大的電路板空間。因此，經常使用小電容以節省空間和成本，但這是以犧牲20Hz的平坦頻率響應為代價。圖2給出了采用不同標準尺寸的電容所對應的頻率響應。


圖2. 傳統的耳機放大器的頻率響應(16Ω負載)

DirectDrive技術

DirectDrive耳機放大器無需直流偏壓，從而省去了輸出端所需要的隔直電容。盡管DirectDrive耳機放大器仍然采用單電源供電，但放大器卻可以處理正負信號。片上電荷泵可產生與正電壓相同擺幅的負電壓，從而允許接受負信號。由于可提供雙電源，使放大器不再工作在單電源供電下。如圖3所示，運放將被偏置到地電平。


圖3. 采用DirectDrive技術的放大器輸出波形

DirectDrive所采用的電荷泵只需要兩個小尺寸陶瓷電容：一個飛電容以及一個保持電容。這兩個電容的典型值是1µF，最小可采用0402規格。這與傳統耳機放大器所采用220µF輸出電容相比，大大節省了空間，并且具有更加優異的性能(圖4)。


圖4. a) 兩個1µF電荷泵電容相比b) 兩個220µF輸出耦合電容，大大節省了空間

DirectDrive優勢

1. 雜音抑制
   DirectDrive技術的一個最顯著優點在于大大降低了雜音。在傳統的耳機放大器中，每次放大器使能時，都要對輸出電容進行充電，關閉時要進行放電。這一充/放電過程中電流流經耳機，從而產生了比較明顯的啪噗聲(圖5)。DirectDrive省去了電容，從而消除了產生雜音的主要來源。
   
   
   圖5. 數據顯示在兩類放大器中的雜音：a) 傳統的耳機放大器，b) DirectDrive耳機放大器
   
   
2. 更好的低音性能
   由隔直電容和阻性耳機負載形成的高通濾波器同樣會影響音效。在大多數系統中，不可能采用同一電容實現從20Hz到20kHz整個范圍內的頻率響應。為了節省空間和成本，常使用比理想電容小點的電容，從而提高了低頻滾降點，進而降低了系統的低音性能。如果使用16Ω的耳機，對低音性能的影響將更大。典型的系統通常是針對32Ω的耳機設計；當連接16Ω的耳機時，低頻截止頻率會增大兩倍，將進一步減少低音頻率。
   
   然而，采用DirectDrive技術，將完全免去高通濾波器，因而可以使用輸入耦合電容設定轉角頻率。由于放大器的輸入阻抗通常大于10kΩ，因此只需要采用1µF甚者更小的電容就可以確保整個音頻帶寬。
   
   
3. 低電壓工作
   DirectDrive技術允許耳機放大器直接采用系統中主要數字IC所使用的電源供電。由于工作在比電池電壓更低的電源下，從而提高了耳機放大器的效率。過去常采用3.3V甚至2.5V的電源，現在1.8V的電源正逐步取代上述電源。對于傳統的耳機放大器，在1.8V電源下理論上只能輸出10mW輸出功率(32Ω負載)。然而，對于DirectDrive放大器，由于電源電壓翻倍，因而在同樣的供電電壓下可輸出高達40mW的功率。因此使工作在現代系統中放大器在保證效率的基礎上，同時仍產生足夠的聲強。
   
   
4. 2V_RMS線路輸出放大器
   DirectDrive技術用于需要2V_RMS音頻輸出的系統中，可以實現電源倍壓，這是其另一個優點。這類系統通常具有5V電源。但是采用5V供電的標準放大器通常無法輸出2V_RMS；因此為了提供2V_RMS的輸出，需要采用更高電源。采用DirectDrive技術，由于已經在片上將電源倍壓，因此在5V供電的條件下就有可能提供超過2V_RMS的輸出。
   
   
5. 減小失真
   最后，傳統的耳機放大器中使用的輸出電容會使低頻音頻信號產生明顯的失真。在低頻拐點附近，電容的電壓系數將變為非線性，并同時會引起音頻信號的失真。在某些場合下，失真最高可達1%，能夠被聽到并且測量到(圖6)。DirectDrive免去了耦合電容，從而消除了失真源。
   
   
   圖6. 輸出耦合電容引起的失真

結論