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耳机放大器架构设置全新解决方案

作者:时间:2017-10-22来源:网络

  伴随DVD、MP3、MP4、智能手机等越来越多的便携式音频设备的出现,这些设备的电路板设计空间越来越不足。现今,根据特定功能设计解决方案的尺寸,在预期功能的条件下将需要的组件数量降到最低,显得越来越重要。将音频信号传输到耳机,一直以来都使用DC 阻隔电容,除此之外,其他替代的解决方案,不是有先天的限制,就是过于简单化而不切实际需求,不被市场认可与接受。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/367322.htm

  本文特别着重在架构,除了说明其优缺点,也介绍全新的解决方案,该解决方案可解决某些架构所造成的问题。

  不同的配置

  不采用大型 DC 阻隔电容驱动耳机的其中一种传统方法,是将连接器的接地接脚偏移到中轨,也就是 VDD/2 (VBIAS)。由于大多数消费性耳机放大器都是单一供应电源,因此,要达到良好的动态范围,唯一的方法是以 DC 将音频偏移到 VDD/2,使信号能摆荡到接地及 VDD。由于接地接脚连接 VDD/2,因此其中主要的缺点是,只要连接 到Hi-Fi 放大器或以电源驱动的喇叭等接地为真实接地 (亦即 0V) 的外部设备,就会造成接地回路问题,并引发不必要的噪声或设计问题。

  

  图 1. 含偏移接地套管的输出单端耳机放大器

  如图 1 所示,最传统的耳机放大器架构是含 DC 阻隔电容的单端放大器。

  

  图 2. 含 DC 阻隔电容的单端耳机放大器

  从中可看出,耳机驱动的输出偏移到 VDD/2 (VOUT),而音频从 VDD 摆荡到接地。其中需要 DC 阻隔电容,才能将移除此偏压,让讯号在接地周围有效摆荡,也就是在 –VDD/2 至 +VDD/2 之间摆荡。此架构的优点是能够使用标准的耳机接孔,然而,这类方法的主要问题在于低频率响应。耳机阻抗一般是 16Ω 或 32Ω,而输出电容及耳机喇叭阻抗两者会形成高通滤波,其截止频率为 3dB,如等式 1 所示:

  

  (等式 1)

  截止频率必须在耳机的音频频带范围内,此频带会因制造商的不同而有所差异,但一般的范围是 20Hz 至 20kHz 之间。为了不使低音频频率衰减,高通滤波的截止频率至少必须大约是 500Hz 以下。

  将等式 1 改写为等式 2,即得出:

  

  (等式 2)

  对于 100Hz 的截止频率及 16Ω 的耳机喇叭阻抗,电容必须是 110μF。对于需要小体积尺寸的情况而言,这会造成电容值及实体尺寸过大,而且使得成本过高。许多工程人员只能改用 22μF 的较小电容,不过这会影响耳机的低频率传真度,而导致低音响应不佳。

  各种执行都有其优缺点,不过,对于需要较佳音频并避免潜在接地回路问题或大型 DC 阻隔电容的设计人员而言,一种称为接地置中或「无电容」的较新架构开始备受瞩目。

  TPA4411、TPA6130A2 及 TPA6132A2 等由德州仪器提供的接地置中或 DirectPathTM 耳机放大器使用创新的做法来省却通常使用的 DC 阻隔输出电容。其做法并非将音频偏移至装置内的 VDD/2,而是整合了一颗电荷泵并提供一组负电源轨,进而让耳机放大器在正电源轨 (VDD) 与负电源电压 (VSS) 之间摆荡。这完全不需要任何偏移,因此不再需要输出的高通滤波。这能够让耳机喇叭播放整个音频频带,提供更好的音质。

  

  图 3. 含整合式电荷泵的接地置中 DirectPathTM 耳机放大器

  图 4 显示该高通滤波器的频率响应如何随着不同的 DC 阻隔电容产生变化。对于 16Ω 的固定负载阻抗,只要改变输出 DC 阻隔电容,截止频率便会随之变动。结果是当电容值减小,截止频率就会提高,而且越少音频低音内容能被传输到耳机喇叭。

  

  图 4. 输出频率响应比较

  这种做法看起来很理想,不过,由于整合式电荷泵的低效运作,相较于含偏移接地套管或大型 DC 阻隔电容的传统耳机放大器,接地置中耳机放大器会耗用较多的电源,而略微缩短系统的电池使用时间。为解决这个问题的创新做法是使用改良的 Class-G技术。

  Class-G 技术

  在 AB 类放大器的接地置中架构做法中,放大器总是以最高电源电压运作,这表示,对于音频的无噪声阶段而言,整个输出 FET 的电压降幅相当大。以锂离子电池为例,一般的电池电压范围是 3.0V 至 4.2V。假设电池供应 3.6V 的电压,图 5 的红色箭头表示播放输出音频时整个输出 FET 的电压降幅。

  

  图 5. AB 类接地置中耳机放大器运作

  假设放大器的静态电流相较于流向负载的电流来说非常地小,即可推算电池电流与输出电流呈正比。

  

  (等式 3)

  图 6 显示 AB 类接地置中耳机简易示意图。随着音频的变化,整个输出 FET 的电压降幅也会变动。装置的功率损耗是电压降幅乘以电池电流 (IBATT) 所得的乘积。

  

  图 6. AB 类接地置中耳机示意图

  G 类放大器一般使用多个电源电压,以发挥比 AB 类放大器更高的效率。在本例中,TI 最新的 G 类 DirectPath 放大器 (TPA6140A2) 首先将电池电压降低至较低的电压值,然后切换至低信号强度的低供应电压 (1.3V),并且只有在信号强度超出该低电源电压轨时,才切换至较高的电源电压 (1.8V)。这些适应性电源电压轨的升降速度高于音频,因此可避免失真或削波。此外,由于一般聆听的音频低于 200mVRMS,因此电源电压通常是最低值 (亦即 1.3V),并且提供优于上述 AB 类放大器的效率。在音频的无噪声阶段期间,整个电源轨的电压会降低,而且信号相当小。当音频变得大声时,放大器会切换至较高的电源轨,然后切换回较低的电源轨,导致整个输出 FET 的电压降幅缩小。图 7 的红色箭头表示此电压降幅。

  

  图 7. G 类接地置中耳机放大器运作

  其中的技巧是设计将电池电压降低至较低电压的放大器,并使用适应性电源轨 (分别有负电源轨) 降低播放音乐时整个输出 FET 的电压降幅。其中一种实现这类放大器的方式是,使用电荷泵作为图 8 所示的步降区块。某些工程人员偏好这类做法,原因在于步降电荷泵仅需要相对较小的飞驰电容(flying capacitor) (1μF 至 2.2μF),而这也是相对较小的组件

  

  图 8. 含电荷泵步降转换器的 G 类接地置中耳机简化示意图

  这类解决方案的主要缺陷是电荷泵的效率极差,而且这类解决方案无法令电池使用时间延长。较好的做法是整合 DC/DC 步降转换器,以有效降低装置的内部电源电压,并减少电池电流。

  

  图 9. 含 DC/DC 步降转换器的 G 类接地置中耳机简化示意图


  图 9 显示 G 类接地置中耳机简化示意图。假设放大器的静态电流远小于流向负载的电流,即可推估电池电流是输出电流的分数 (见等式 4)。同样地,随着音频的变化,整个输出 FET 的电压降幅也会变动。此装置的功率损耗是电压降幅乘以电池电流 (IBATT) 的分数 (VDD/VBATT) 所得的乘积,因此,此装置将散失较少的功率。

  

  (等式 4)

  使用此解决方案的 G 类 DirectPath 耳机放大器为 TPA6140A2。此解决方案需要将外部电感用于步降转换器,但是,由于输出电流相当小,而且降压转换器的切换频率相对较高,因此可使用相当小的芯片电感,也就是 2.2uH 、 800mA 的 0805 尺寸电感。这能够使解决方案的效率提高,而没有上述电荷泵方法的电路板空间不足的缺点。

  AB 类及G 类接地置中架构的电池使用时间比较

  为证实 G 类 DirectPath 耳机放大器的效率优于传统 AB 类解决方案,我们在实验室进行了一项测试。图 10 是一般接地置中耳机与 TPA6140A2 的比较。其中,两个放大器都接上充满电力的锂离子电池。音频输入来自 PC,而输出驱动各个 32Ω 耳机。两个放大器持续播放相同的音频,而且以固定间隔测量电池电压。

  下图的 Y 轴表示电池电压,X 轴表示时间。绿线表示一般的接地置中耳机放大器,蓝线表示 G 类耳机放大器。

  

  图 10. AB 类与 G 类接地置中耳机放大器的比较

  相较于 AB 类 DirectPath 实作,TPA6140A2 可延长 50 小时或 45% 的电池使用时间。

  对于耳机放大器效率而言,必须考虑整体的系统功耗。举例来说,当今耳机的输出功耗远低于 MP3 编译码器的功耗。在未来,当这类编译码器功能提升到下一个制程技术节点时,该功能的功耗将进一步降低,但耳机放大器的输出功耗需求则不会降低。这表示,耳机放大器的效率将在下一代平台中扮演更重要的角色。图 11a 至 11b 阐明了这一点:

  

  图 11a.当今MP3 播放电流耗用量的范例

  

  图 11b.两年后 MP3 播放电流耗用量的范例

  图 11a 显示 G 类耳机放大器的平均电流耗用量大约是应用处理器的 10%。然而,几年后,当应用处理器电流降低至大约 10mA 时,G 类耳机放大器的电流耗用量将约为 现在的30%。

  结论

  电池使用时间一直是便携式应用的重要课题。相比含输出 DC 阻隔电容的传统 AB 类放大器,接地置中耳机放大器的音频性能较佳,但是因为需要使用电荷泵而使得效率降低。只有在信号强度需要进行切换时,才会切换两个以上的电压电源轨,使得 G 类放大器能够提升效率,也减少了不必要的功率损耗。TPA6140A2 等 G 类 DirectPath 耳机放大器结合了接地置中耳机放大器及 G 类放大器的优点。这能够有效降低不必要的放大器功率损耗,最终使得电池使用时间延长。



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