立体声耳机放大器设计挑战暨“真实接地”方案

1、立体声耳机放大器设计挑战暨“真实接地”方案为了满足消费者对耳机音频质量更高的要求，手机、和mp3播放器等便携消费类设备需要高质量的立体声耳机。而设计人员在设计立体声耳机放大器输出段时，需要从桥接负载、耦合、虚拟接地及真切接地等不同挑选中选出更适合的计划。这些不同的输出段设计挑选各有其优缺点，如桥接负载的动态范围较大，支持单电源工作，但不兼容立体声耳机；电容耦合兼容立体声耳机，同时支持单电源工作，却存在需要大电容及高通滤波等问题；虚拟接地也支持单电源，无需耦合电容，但若有麦克风，就不兼容立体声耳机。相比较而言，真切接地输出设计体现出更多的应用优势，如支持立体声耳机，无需大解耦电容，从而节约板空间

2、及避开大电容可能较贵的成本，充实低频响应性能，并提高电源抑制比(pssr)。此外，包括音频和直流偏置在内的全部信号的参考电平相同，将串扰减至最小，并支持带4点插孔(4 points jack)的标准附件。特殊是采纳这种设计的放大器更易于实现静电放电(esd)/电磁干扰(emi)庇护。固然，采纳真切接地也会付出占位面积方面的代价，这种立体声放大器会比常规立体声放大器尺寸大50%。但综合来看，真切接地立体声耳机放大器为客户提供更多的应用优势，成为客户天经地义的挑选。图1：不同立体声音频放大器输出段设计。1 “真切接地”输出段设计的挑战及解决计划不过，对设计人员而言，立体声耳机音频放大器输出段真切接

3、地设计并不简单。由于与虚拟接地等其它设计支持单电源工作不同，真切接地设计中，放大器需要采纳双电源工作，即同时需要正电源和负电源电压，而负电源电压的产生并非易事。可以考虑两种计划来产生负电压。一是利用式降压转换器，二是利用电荷泵。电感式降压转换器采纳电感作为储能及传递能量的介质(见图2a)。这种计划中，导通时，电感充电，充电方向如红色线条所示，此时肖特基截止；mosfet关闭时，肖特基二极管导通，电感放电，放电电流方向如蓝色线条所示，同时给电容充电。因为电容正极接地，故给电容的充的电压为负电压，即输出为负电压。这种产生负电压的计划效率极高，且能提供大电流，但其问题在于所采纳的电感跟在输出段移除的

4、电容尺寸一样大、价格一样贵，即不能体现出减小电路板占用空间和降低成本的优势。电荷泵式转换器常用于反压型直流-直流(dc-dc)转换，即输入正电压，输出负电压，电路中采纳电容作为储能及传递能量的介质。这种计划中包含4个开关及2个电容(c1和c2)，见图2b。所示，c1左侧的两个开关导通时，右侧的两个开关关闭，c1充电(见红色线条)；下一个时序时，c1左侧的两个开关关闭，右侧的两个开关导通，c1放电，并给电容c2充电。因为c2正极接地，故c2上充的电压是负电压，即输出负电压。如今便携产品中电荷泵电路的开关频率越来越高，故不需要用法尺寸大、价格贵的大电容。这便是电荷泵计划的一大优势，其它优势还包括在

5、产生负电压时效率极高，这些优势让其在产生负电压方面备受青睐。不过，在实际应用中，还要注重一些问题，如要用法隔离晶体管，防止结二极管导电；且需要其它功能来恰当偏置隔离晶体管，确保结二极管反向偏置。图2：两种负电压产生计划的电路原理图。从电源架构来看，“真切接地”立体声耳机音频放大器采纳“稳压器(如电荷泵式转换器)+放大器”架构(见图3)，这种架构的电源抑制比(pssr)比音频放大器挺直衔接在电池正极电压(vbat)与电池负极电压(-vbat)之间的系统高。而对便携消费类产品而言，音频放大器必需具有较高的pssr，从而避开受到电源与布线噪声的干扰。图3：ncp2811a(外部可调整增益)无电容立体

6、声耳机功能框图2 ncp2811 a/b无电容真切接地立体声耳机放大器特性及优势安森美身为全球率先的高性能、高能效硅计划供给商，为便携消费应用推出一系列的无噪声音频放大器，如用于扬声器的ncp2991/0、ncp2892、ncp2890/ncv2890、ncp4894、ncp2820/20a/30，以及用于立体声耳机的ncp2809和ncp2811。其中，ncp2809采纳虚拟接地设计，而ncp2811是一款无电容(nocap?)真切接地立体声耳机放大器。这器件采纳“电荷泵+放大器”式电源架构，应用了真切接地设计，内置的电荷泵架构同时提供正电源电压(vrp)及负电源电压(vrm)，让放大器输出

7、段省下2个外部隔直(dc blocking)大电容，并能够用法4点，让麦克风和耳机用法相同接地引脚，高效利用引脚资源。ncp2811在采纳5 v电源电压工作时，为16 ?的耳机负载提供100 mw功率，背景噪声仅为7 vrms aw，总谐波失真(thd)+噪声(n)小于0.01%。此外，ncp2811内置爆音(pop)及嘀哒(click)噪声消退电路，让消费者不会听到扰人的噪声；-100 db的高pssr，进一步提高噪声抑制水平；105 db的信噪比(snr)更是提升音质，增加消费者音频体验质量。这器件还抑制emi，且在关闭模式消耗极低的电流，协助延伸电池用法时光。ncp2811采纳节约空间的

8、csp 12引脚封装，尺寸仅为1.5×2 mm，引脚间距0.5 mm；此外还提供qfn 3×3 mm封装。ncp2811包含两个版本：ncp2811a为外部可调整增益版本，而ncp2811b为内部固定增益版本。3 ncp2811外部元件挑选设计人员应用ncp2811真切接地立体声耳机变压器时，还涉及到外部元件挑选的问题。如对外部可调整增益的ncp2811a而言，需要设定增益；而其闭环增益由rf和rin打算，建议闭环增益设定在1至10的范围内。在输入端的电容挑选方面，输入电阻rin + 输入电容cin使高通阻隔低频，cin的挑选应使cin rin截止频率(fc)低于20 hz

9、。而在电荷泵电容方面，应该挑选低等效串联电阻(esr)的陶瓷电容(建议x7r或x5r)；另外，在负电压产生期间，飞跨(flying)电容(cfly)充当能量传递作用，而cpvm(参见图3)电容起码要等于cfly，使能量传递增至最大。最小的cfly和cpvm值是1 f(0402封装尺寸)，可以挑选tdk的 c1005x5r0j105k及murata的grm155r60j105k19。解耦电容方面，同样建议挑选x7r或x5r规格的低esr陶瓷电容，而且建议最低挑选1 f电容值。如前所述，ncp2811这样的真切接地设计易于实现esd庇护。对于ncp2811而言，它基本上是高性能的，而运算放大器在驱

10、动电容性负载时会变得不稳定。因此，假如设计中需要电容性esd庇护，建议在ncp2811输出与esd庇护电路之间串联增强2颗10 电阻，从而将电容性负载效应降至最低。图4：设计中需要电容性esd庇护时，建议在ncp2811输出与esd庇护间串联电阻4 总结便携消费类设备需要高质量的立体声耳机放大器，满足消费者对更佳音频体验的需求。立体声耳机放大器输出段设计有桥接负载、电容耦合、虚拟接地和真切接地等不同挑选，其中真切接地提供众多的应用优势，是客户天经地义的挑选。但真切接地设计中，放大器需要采纳双电源工作，其中的负电压产生成犯难题。有利的是，安森美半导体推出ncp2811无电容(nocaptm)真切接地