當今消費者對于高端娛樂的需求不斷增長,猶如在使用便攜式設(shè)備(如筆記本電腦等)時能享受著聆聽音樂、影視劇和新聞的嶄新方式，同時還要求靈活性更強、品質(zhì)更佳的多功能產(chǎn)品, 以獲得在移動或固定使用狀態(tài)下獲得聆聽體驗。

    據(jù)此，對音頻設(shè)計人員的挑戰(zhàn)是制作設(shè)計出與ASIC、處理器以及DC-DC轉(zhuǎn)換器共存的高性能、低噪聲模擬電路。而便攜式系統(tǒng)中的低噪聲模擬電路-耳機放大器實際為一小型動的功率放大器，其輸出功率雖然可能只有≤0.5W，但卻能推動低輸入阻抗的負載并為耳機提供所需的電源。應(yīng)該說,它是影響典型音頻重放通路中的一個關(guān)鍵元件。為什么這樣講呢？主要考慮耳機驅(qū)動器面臨著如下新的挑戰(zhàn)：

    *便攜式系統(tǒng)(如筆記本PC)的耳機驅(qū)動器輸出在保持原始信號動態(tài)范圍的同時，必須用幅值達1Vrms的信號驅(qū)動低阻抗負載(典型值為32Ω或有時低至16Ω)。這個要求看起來簡單，但進一步分析就會發(fā)現(xiàn)它所面臨的電源環(huán)境令人煩惱,即在單電源供電時，耳機輸出必須保持動態(tài)范圍，而該電源電壓通常要從DC-DC轉(zhuǎn)換器獲取,并要與高速數(shù)字電路共用,這就帶來苛刻要求。

    *根據(jù)這些耳機驅(qū)動器電路的信號幅值與負載阻抗，要從DC-DC電源吸取的電流峰值可達90mA,這無疑將使DC-DC電源產(chǎn)生較大紋波。

    *關(guān)斷電源或耳機驅(qū)動器時，應(yīng)當聽不見咔嗒聲與瞬態(tài)雜音,這無疑也將增加技術(shù)措施。

    根據(jù)國際電工委員會(IEC)的標準,對高保真(Hi-Fi)耳機的電聲標準有如下規(guī)定見表1所示)

    從上述可看出, 要制作出并能嵌入便攜式系統(tǒng)中的能高性能、低噪聲耳機驅(qū)動器。實際上是妥要解決一系列的干擾因素,即電源噪聲、雜音抑制等技術(shù)問題,才能得到實現(xiàn)。

    2、關(guān)于電源噪聲的起因與抑制

    2.1首先分析一下引起電源噪聲原因才能找出抑制的方案。

    *電源的干擾:交流電上那些耗電極大的強功率動力裝置便會產(chǎn)生噪聲干擾；

    *自身產(chǎn)生干擾:便攜式系統(tǒng)自身也是一種產(chǎn)生電磁干擾的干擾源,如筆記本電腦以及任何使用微處理器的便攜式設(shè)備都會通過各自的電源線向市電電源中加進噪聲干擾；

    *便攜式系統(tǒng)還會通過交流地源的地線將其它便攜式設(shè)備傳送噪聲,這是因為無論是AC變換成DC或DC-DC變換器,其直流電源時地線上的數(shù)字噪聲便可能會進入前置放大器；又如當直流整流電源的電容漏電時, DC-DC上噪聲也會進入地線。

    2.2電源噪聲的抑制方案

    由此看來,為了實現(xiàn)合理的信噪比，其關(guān)鍵是必須抑制電源噪聲對耳機放大器輸出的影響。例如，基于CD或DVD信號的動態(tài)范圍可能超過90dB。假定音頻電源電壓上存在100mV的噪聲，其頻譜成分的絕大部分位于音頻帶寬以內(nèi)，為了維持90dB動態(tài)范圍，必須將耳機輸出的噪聲降低至30µV左右。為了達到這一目的，在感興趣的頻率點耳機驅(qū)動器的PSRR(電源供應(yīng)抑制比率)必須超過70dB。

    要在音頻頻帶獲得上述電源抑制比，必須采用考慮周全的設(shè)計方案，使放大器對音頻范圍內(nèi)的電源噪聲提供一定的抑制能力。瀏覽絕大多數(shù)運放的數(shù)據(jù)資料后會發(fā)現(xiàn)，PSRR在接近DC電壓處通常較高，而隨著頻率增加，將急劇下降(通常是-20dB/十倍頻程)。在20kHz處，一些器件的PSRR低于40dB。

    一些DC-DC轉(zhuǎn)換器在音頻頻譜的上端產(chǎn)生更高的噪聲成分。盡管可以證實在那些頻率上聽得到的成分很少，但是仍然可以在耳機輸出端測量到噪聲。

    由于絕大多數(shù)耳機放大器都不能提供足夠的PSRR，為此可以加入外部低壓差穩(wěn)壓器(LDO)來凈化耳機放大器的電源。如何設(shè)計或配置出加入外部低壓差穩(wěn)壓器(LDO)呢？

    2.21那就是用低功運算放大器來構(gòu)成減少音頻紋波電路（見圖1所示）而在便攜式應(yīng)用中(例如移動電話和多媒體筆記本電腦中),它為驅(qū)動頻音電路提供了純凈的5V電源。大多數(shù)線性穩(wěn)壓器只能抑制高至1000Hz左有的噪聲，若采用傳統(tǒng)的低頻無源濾波器,則體積會增大使之在便攜式應(yīng)用中不受歡迎，而圖1所示的電路減少音頻紋波達40dB。

    圖1所示的電路的分析

    圖1所示的電路接受4.5V至6V范圍內(nèi)帶噪聲的VCC,通過由MAX495低功耗運算放大器構(gòu)成電路將輸出Vout為0.93*VIN的無噪聲的直流電平Vcc。例如，在輸出電流IOUT為1A時它可從額定5V的電源產(chǎn)生4.65V，而靜態(tài)電流僅200µA。其圖1所示的電路特是是外形非常?。褐挥幸粋€S0T23晶體管，—個µMAX(縮小SO-8)運故，以及-幾個無源元件。的電容器是10µF，電阻可以是0.1W或其表面安裝(SMT)型。

    工作時，該音頻紋波電路起寬帶緩沖電壓跟隨器的作用(不是穩(wěn)壓器),其Vout直流輸出電平比VIN低7%(即為4.65V),R1和R3構(gòu)成分壓器它提供7%的衰減，C4有助于在運放反相輸入端形成經(jīng)濾波其幅度為4.65V(VIN*93％)的電壓，運放的小輸入偏置電流(典型值為25nA)允許大的R1和R3阻值，還把直流誤差限至僅20mV。其結(jié)果是形成了拐角頻率為2Hz，在20Hz頻率下提供20dB衰減的低通濾波器。

    由于運放MAX495的共摸輸入范圍擴展到電源電壓，所以其非反相輸入端可直接對輸出電壓取樣。運放的電源電壓由R2和C5濾波，提供低的輸出阻抗并在高頻時對運放具有較好的電源抑制。此濾波器300Hz的向上轉(zhuǎn)移頻率增大了運放的PSRR(電源供應(yīng)抑制比率已達可觀的110dB)。

    這就是為了在便攜式設(shè)備(如筆記本電腦)的音頻輸出端獲得足夠的電源噪聲抑制比，用+5V作為通用的音頻電路電源電壓，而特定的節(jié)點通常被調(diào)節(jié)到4.65V-4.7左右.

    2.22另一種應(yīng)用方案是不再需要外部穩(wěn)壓器,而通過對器件內(nèi)部的關(guān)鍵節(jié)點在內(nèi)部進行微調(diào)以提高PSRR.此方法遠高于用其他方法獲得的PSRR,使1kHz時的PSRR超過100dB。

    值此以超高PSRR立體聲驅(qū)動器MAX4298/MAX4299 的IC1為例(見圖2所示)作一說明。

    圖2為更佳的16Ω耳機驅(qū)動器，能提供滿擺幅輸出,并于22KHz處提供>90dB的SRR(電源供應(yīng)抑制比率),不再需要外部穩(wěn)壓器,而是通過內(nèi)置3.3V 100mA的LDO(低壓差穩(wěn)壓器)通對器件內(nèi)部的關(guān)鍵節(jié)點，在內(nèi)部進行微調(diào)以提高PSRR，遠高于用其他方法獲得的PSRR,而較高的PSRR可以保證在嘈雜的數(shù)字電源下提供高品質(zhì)音頻特性見圖3所示PASS(dB)與頻率曲線，即解決了可直接由嘈雜的數(shù)字電源驅(qū)動耳機的技術(shù)問題。該超高PSRR立體聲驅(qū)動器也是一種更有效的無咔嗒聲/砰然聲的電路,需注意的是圖2中CAC 220μF交流耦合電容它可阻礙了耳機的DC電壓,只要用可選的元件(用>100µF的鉭電容)就可控制斷電瞬變的幅。(具體分析在下述第3節(jié))

    需要說明的是圖2中與MAX4299相連的IC2 CODECM為編解碼器是一種完成雙重功能的設(shè)備,它能把雙路模擬數(shù)據(jù)編碼成數(shù)字信號；也可把雙路數(shù)字數(shù)據(jù)編碼成模擬數(shù)據(jù)輸出(LOUT與ROUT),也是本連接所用之功能,即DAC CODECM與MAX4299配合相連成為CODEC/耳機驅(qū)動器方案,使MAX4299成為一款集成的咔嗒/砰聲抑制器。

    MAX4299與MAX4298之區(qū)別在于:MAX4299具有內(nèi)置3.3V 100mA的LDO(低壓差穩(wěn)壓器)它可提供一給路純凈的3.3v/100mA輸出用于驅(qū)動CODEC；還有內(nèi)置的麥克風放大器。若只用MAX4298則無CODEC設(shè)備相連按接與內(nèi)置LDO穩(wěn)壓器,則2路音頻輸入信號分別通過電阻Rin(10K)與電容(Cin)與MAX4298的IN1與IN2相連即可。

    3、雜音抑制的方案

    3.1雜音的抑制

    所謂雜音抑制,就是在耳機驅(qū)動器靜音或上電(或斷電)時出現(xiàn)的突發(fā)性噪音或令人厭煩的瞬態(tài)噪音減小到的能力,它是衡量耳機驅(qū)動器能力的另一指標。該指標很難在輸出驅(qū)動器中獲得較好的性能，這是因為對輸出驅(qū)動器來說，沒有下游電路可以被靜音，無法將出現(xiàn)的異常信號屏蔽掉。若插入了耳機，那么無論用什么驅(qū)動都不可避免的造成音頻系統(tǒng)的瞬變性能。

    耳機驅(qū)動器通常采用單電源供電,并通過大電容CAC(220μF)實現(xiàn)對塞孔輸出的AC耦合，如圖2所示。這樣的安排可以防止耳機兩端出現(xiàn)DC電壓，是因該DC電壓可能破壞耳機的驅(qū)動單元.在工作過程中，由于電容CAC的耳機側(cè)是地電勢，而放大器輸出偏置約為滿擺幅的一半，因此隔直電容兩端有電壓,就是滿擺幅的一半。但當接通電源時，必須將電容充電至工作電壓Vcc，但是允許流過該電容的電流必然流經(jīng)負載(耳機音頻線圈),從帶來上電雜音,這需要抑制。

    3.2雜音抑制的典型配置-高通濾波器的應(yīng)用

    3.21上電雜音抑制

    從圖2中框圖內(nèi)放大器與串聯(lián)電容并與耳機阻抗一起構(gòu)成的高通濾波器電路就是用于單電源產(chǎn)品中耳機驅(qū)動器的典型配置,見圖4所示中高通濾波器是為了阻斷來自耳機的DC電壓所必需的;而串聯(lián)電容量必須>100µF并且是鉭電解,以便更好的在耳機上獲得音頻信號;其耳機阻抗應(yīng)是對地為16Ω或32Ω。

    當然有些設(shè)計是使用放大器輸出周邊的JFET(連結(jié)式場效應(yīng)管)與分立元件抑制充電電流，有些電路則提供RC時間常數(shù)減緩導(dǎo)通時的聲音瞬變，從而通過降低干擾頻率的含量，減少干擾因素。有的采用了背對背指數(shù)斜坡(S形)技術(shù)進一步抑制上電引起的雜音。與RC指數(shù)方法不同的是，這種抑制方式不會引起dv/dt的突變。

    3.22斷電時的瞬變雜音抑制

    斷電時的瞬變更難解決。放大器怎么才能在沒有電源的情況下控制輸出電容的放電？一種方法是為耳機放大器提供待機電源，該電源由電源接通時充滿電的電容VCAC提供，主電源斷電時，該電容還能提供足夠的能量從容地將放大器關(guān)斷。上圖2的MAX4298/4299技術(shù)的集成就技術(shù)的應(yīng)用,它所產(chǎn)生的無咔嗒聲/砰然聲的上電/斷電循環(huán)波形圖示圖5所示。

    從圖5這些波形可看出,當接通Vcc (t = -1s)和移去VCC (t = 0s)時對圖2所示電路的作用。這里沒有給出Vcc。需要注意的是，MAX4298輸出端VOUT(上面的紅曲線)的S形跳變在負載(耳機)端產(chǎn)生的輸出干擾(下面的Vspeaker蘭色曲線)有平滑而且是有限的,但受控制的輸出VOUT將導(dǎo)通時的聲音瞬變限制在較低的電平，則人耳對其不太敏感.還利用附加元器件IC2或反饋電阻RF(在圖2所示可見)使MAX4298/4299斷電時的聲音瞬變受到控制，抑制上電的瞬態(tài)噪音。

    3.3關(guān)于斷電時無咔嗒聲/砰然聲工作過程及輔助VCC引腳(SVCC)的使用的分析。

    從圖2可知,當提供VCC時，外部肖特基二極管V1為儲能電容充電，當電源移去時，MAX4298/4299的工作過程如下:

    *音頻靜音；

    *立體聲耳機驅(qū)動器還原到低瞬態(tài)電流模式，從SVCC引腳獲取電源；

    *輸出偏置電壓緩慢變化至地，通過鏡像上電波形、采用S形(如圖5中Vout曲線)的模式抑制上電瞬變，消除了dV/dt的突變；

    *儲能電容放電，由于輸出電壓為地，所以當SVCC電源終消失時，輸出音頻的瞬變可以忽略。

    4、新型技術(shù)的使用

    上述方法的不足。用上述方法為了達到一個不明確的指標，需要付出相當大的努力(需要在耳機信號前端添加額外的線路)，而市場對這樣的特性評價不會很高。理想的方法是完全省去輸出電容，從而消除流經(jīng)耳機音頻線圈的充電或放電的影響。為耳機驅(qū)動提供直流耦合、0V輸出偏置，并用雙極性電源為放大器供電，就可以省去這些電容。

    4.1新方法之一,使用第三個放大器

    即使絕大多數(shù)電池供電設(shè)計都受單端電源的限制，設(shè)計者還有一些選擇。一種選擇是使用第三個放大器為耳機提供滿擺幅一半的偏置，這樣就產(chǎn)生了“偽0V”輸出偏置。由于主立體聲放大器的偏置也是滿擺幅的一半，從而可以省去DC耦合電容。因此，第三個放大器必須具備從兩個主放大器吸取并提供電流的能力，并足以處理任何耳機插頭(塞孔必須與機殼隔離)插入時的ESD(靜電釋放)放電。

    4.2新方法之二,利用提供的正電源產(chǎn)生專用的負電源(見圖6)。

對這種方法來說，ESD與接地都不成問題，并且額外的電壓幅度使輸出電壓峰-峰值幾乎翻倍,這對采用+3V或小于+3V電源供電時，這是很有用的。

    采用MAX4410耳機放大器不失為理想配置其內(nèi)部特征框圖見圖6所示。之所以采用MAX4410耳機放大器是具有以下主要特征：

    *為了實現(xiàn)放大器的雙電源供電，板上電荷泵將正電源電壓反相。不再需要串聯(lián)電容，不過需要為電荷泵提供小的陶瓷電容，陶瓷電容的使用減小了pcb板的面積。

    *MAX4410是一個專門設(shè)計的器件，MAX4410 Vcc可在1.8V-3.6V單電源下工作,參照于地的輸出,MAX4410能夠輸出80mW給16Ω負載,具有極低的0.005%的THD+N(總和諧失真與噪聲),并提供±8KV的ESD保護和90dB PSRR(電源供應(yīng)抑制比率),無需外部LDO；為14引腳TSSOP型封裝,它在內(nèi)部結(jié)合了一個立體聲耳機驅(qū)動器和一個從+3V電源產(chǎn)生-3V電源的反相電荷泵。并在內(nèi)部±3v電源的驅(qū)動下，MAX4410內(nèi)部的放大器每路輸出(OUTR或OUTL)可提供6Vp-p的擺(振)幅，以及更大的輸出功率。

    *MAX4410耳機放大器通過正電源引腳產(chǎn)生內(nèi)部負電源。由于放大器的直流輸出偏置為0V，因此不需要輸出電容。內(nèi)部鎖定電路防止由于過低或上電、斷電過程中的電源電壓引起的偽操作，因此沒有雜音。

    5、結(jié)語

    由上分折可看出便攜式設(shè)備內(nèi)耳機驅(qū)動電路直接影響音頻高品質(zhì),所以正確靈活的設(shè)計、配置與使用耳機驅(qū)動電路非常關(guān)鍵。除非數(shù)字輸入耳機飛速發(fā)展，否則驅(qū)動耳機插孔的電路仍需要采用模擬電路。雖則如今D類各放大器設(shè)計可以維持數(shù)字音頻通路直至放大器輸出的性能，但不盡完美,其PSRR(電源供應(yīng)抑制比率)與雜音抑制仍會影響系統(tǒng)性能，所以掌握好多種模擬硬件設(shè)計技術(shù)，在相當長的一段時間里具有重要意義。