立体声耳机放大器设计挑战暨“真实接地”方案

2009-09-03 16:26:54来源: 电子工程世界

  为了满足消费者对耳机音频质量更高的要求,手机、GPS和MP3播放器等便携消费类设备需要高质量的立体声耳机放大器。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、电容耦合、虚拟接地及真实接地等不同选择中选出更适合的方案。

  这些不同的输出段设计选择各有其优缺点,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,真实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,从而节省电路板空间及避免大电容可能较贵的成本,改善低频响应性能,并提高电源抑制比(PSSR)。此外,包括音频和直流偏置在内的所有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。特别是采用这种设计的放大器更易于实现静电放电(ESD)/电磁干扰(EMI)保护。当然,采用真实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,真实接地立体声耳机放大器为客户提供更多的应用优势,成为客户理所当然的选择。

不同立体声音频放大器输出段设计电路图

图1:不同立体声音频放大器输出段设计电路图。

  “真实接地”输出段设计的挑战及解决方案

  不过,对设计人员而言,立体声耳机音频放大器输出段真实接地设计并不容易。因为与虚拟接地等其它设计支持单电源工作不同,真实接地设计中,放大器需要采用双电源工作,即同时需要正电源电压和负电源电压,而负电源电压的产生并非易事。

  可以考虑两种方案来产生负电压。一是利用电感式降压转换器,二是利用电荷泵。电感式降压转换器采用电感作为储能及传递能量的介质(见图2a)。这种方案中,MOSFET导通时,电感充电,充电电流方向如红色线条所示,此时肖特基二极管截止;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。由于电容正极接地,故给电容的充的电压为负电压,即输出为负电压。这种产生负电压的方案效率极高,且能提供大电流,但其问题在于所采用的电感跟在输出段移除的电容尺寸一样大、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,电路中采用电容作为储能及传递能量的介质。这种方案中包含4个开关及2个电容(C1和C2),见图2b。如图所示,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。由于C2正极接地,故C2上充的电压是负电压,即输出负电压。如今便携电子产品中电荷泵电路的开关频率越来越高,故不需要使用尺寸大、价格贵的大电容。这便是电荷泵方案的一大优势,其它优势还包括在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,还要注意一些问题,如要使用隔离晶体管,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。

两种负电压产生方案的电路原理图

图2:两种负电压产生方案的电路原理图。     

  从电源架构来看,“真实接地”立体声耳机音频放大器采用“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)比音频放大器直接连接在电池正极电压(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,音频放大器必须具有较高的PSSR,从而避免受到电源与布线噪声的干扰。

NCP2811A

图3:NCP2811A(外部可调节增益)无电容立体声耳机变压器功能框图

  NCP2811 A/B无电容真实接地立体声耳机放大器特性及优势

  安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商,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采用虚拟接地设计,而NCP2811是一款无电容(NoCap™)真实接地立体声耳机放大器。这器件采用“电荷泵+放大器”式电源架构,应用了真实接地设计,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),让放大器输出段省下2个外部隔直(DC blocking)大电容,并能够使用4点连接器,让麦克风和耳机使用相同接地引脚,高效利用引脚资源。

  NCP2811在采用5 V电源电压工作时,为16 Ω的耳机负载提供100 mW功率,背景噪声仅为7 µVrms 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)噪声消除电路,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,增强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,帮助延长电池使用时间。

  NCP2811采用节省空间的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为外部可调节增益版本,而NCP2811B为内部固定增益版本。

  NCP2811外部元件选择

  设计人员应用NCP2811真实接地立体声耳机变压器时,还涉及到外部元件选择的问题。如对外部可调节增益的NCP2811A而言,需要设定增益;而其闭环增益由电阻Rf和Rin决定,建议闭环增益设定在1至10的范围内。

  在输入端的电容选择方面,输入电阻Rin + 输入电容Cin使高通滤波器阻隔低频,Cin的选择应使Cin – Rin低通滤波器截止频率(fc)低于20 Hz。

  而在电荷泵电容方面,应当选择低等效串联电阻(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)电容至少要等于Cfly,使能量传递增至最大。最小的Cfly和Cpvm值是1 µF(0402封装尺寸),可以选择TDK的 C1005X5R0J105K及Murata的GRM155R60J105K19。解耦电容方面,同样建议选择X7R或X5R规格的低ESR陶瓷电容,而且建议最低选择1 µF电容值。

  如前所述,NCP2811这样的真实接地设计易于实现ESD保护。对于NCP2811而言,它基本上是高性能的运算放大器,而运算放大器在驱动电容性负载时会变得不稳定。因此,如果设计中需要电容性ESD保护,建议在NCP2811输出与ESD保护电路之间串联增加2颗10 Ω电阻,从而将电容性负载效应降至最低。

设计中需要电容性ESD保护时

图4:设计中需要电容性ESD保护时,建议在NCP2811输出与ESD保护间串联电阻。

  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、虚拟接地和真实接地等不同选择,其中真实接地提供众多的应用优势,是客户理所当然的选择。但真实接地设计中,放大器需要采用双电源工作,其中的负电压产生成为难题。有利的是,安森美半导体推出NCP2811无电容(NoCapTM)真实接地立体声耳机放大器,这器件采用“电荷泵+放大器”的电源架构,电荷泵同时产生正电压和负电压,帮助省下输出端2个隔直大电容,腾出更多板级空间。这器件还提供低噪声及高信噪比和高电源抑制比,具有优异的噪声抑制水平,再加上小尺寸的CSP-12封装,非常适合手机、MP3播放器和GPS等空间受限的消费类设计。

关键字:立体声耳机  放大器  真实接地

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2009/0903/article_1712.html
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