设计指南 2980

利用精巧的电路确保便携式设备的高品质音质


摘要 : 本文分析影响耳机放大器性能的关键参数,包括:PSRR、上电瞬态抑制以及PCB接地。本文关注一个应用(耳机放大器),采用MAX9724与MAX9728耳机放大器。

对音频设计人员的挑战是制作与ASIC、处理器以及DC-DC转换器配合使用的高性能、低噪声模拟电路。例如,设想只影响典型音频重放通路中一个元件—耳机驱动器的问题。

典型的耳机输出在保持原始信号动态范围的同时,必须用幅值达1VRMS的信号驱动低阻抗负载(典型值为32Ω;有时低至16Ω)。这个任务看起来简单,但进一步分析就会发现它所面对一些严酷现实:
  • 在单电源供电时,耳机输出必须保持该动态范围,而该电源电压通常从DC-DC转换器获取,并与高速数字电路共用。
  • 根据这些电路的信号幅值与负载阻抗,从电源吸取的电流峰值可达90mA。
  • 关断电源或耳机驱动器时,应当听不见咔嗒声与瞬态杂音。

电源噪声

为了实现合理的信噪比(SNR),必须抑制电源噪声对耳机放大器输出的影响,并且耳机驱动器的电源抑制(PSRR)是降低信噪比的关键。

例如,基于CD或DVD信号的动态范围可能超过90dB。假定音频电源电压上存在100mV的噪声,其频谱成分的绝大部分位于音频带宽以内,为了维持90dB动态范围,必须将耳机输出的噪声降低至30µV左右。为了达到这一目的,在感兴趣的频率点耳机驱动器的PSRR必须超过70dB。

要在音频频带获得上述电源抑制,必须采用考虑周全的设计方案,使放大器对音频范围内的电源噪声提供一定的抑制能力。浏览绝大多数运放的数据资料后会发现,PSRR在接近直流处通常较高,而随着频率增加,将急剧下降(通常是-20dB/十倍频程)。在20kHz处,一些器件的PSRR低于40dB。

一些DC-DC转换器在音频频谱的上端产生更高的噪声成分。尽管可以证实在那些频率上听得到的成分很少,但是仍然可以在耳机输出端测量到噪声。请注意,关于内置耳机驱动器的音频DAC或CODEC,绝大多数数据资料不会吸引读者关注PSRR指标。即使提及,也通常以电气特性中的一个条目出现,而不会给出PSRR随频率的变化曲线。

由于绝大多数耳机放大器都不能提供足够的PSRR,可以加入外部低压差(LDO)稳压器来净化耳机放大器的电源。例如,为了在笔记本PC的音频输出端获得足够的PSRR,其中+5V仍然是通用的音频电路电源电压,而特定的节点通常被调节到4.7V左右。

采用MAX9724MAX9728这样的IC能够提高PSRR,其值远高于用其它方法获得的PSRR。这些耳机放大器对器件内部的关键节点进行内部微调,无需额外的LDO。

杂音抑制

杂音抑制是衡量IC能力的另一指标,也就是将IC静音或上电(或断电)时出现的突发性噪音或瞬态噪音减小到最小的能力。很难在输出驱动器中获得这样的性能,这是因为对输出驱动器来说,没有下游电路可以被静音,从而屏蔽出现的异常信号。若插入了耳机,那么无论用什么驱动都不可避免的造成音频系统的瞬变性能。

耳机驱动器通常采用单电源供电,其输出通过大隔直流电容交流耦合至插孔,如图1所示。这样的安排可以防止耳机两端出现直流电压。正常工作过程中,由于电容的耳机侧是地电势,而放大器输出直流偏置约为电源电压的一半,因此隔直电容两端有直流电压。电源首次上电时,必须将电容充电至直流工作电压,但是充电电流还是必然流经负载(耳机音频线圈)。那么用什么方法才能防止该电流产生杂音信号呢?

图1. 该电路是用于单电源产品中耳机驱动器的典型配置,其中包括串联电容,与耳机阻抗一起构成了高通滤波器(为了阻断来自耳机的DC所必需的)。
图1. 该电路是用于单电源产品中耳机驱动器的典型配置,其中包括串联电容,与耳机阻抗一起构成了高通滤波器(为了阻断来自耳机的DC所必需的)。

有些设计使用放大器输出周边的JFET与分立元件抑制充电电流,有些电路则提供RC时间常数减缓导通时的瞬变,该方法通过降低干扰频率的含量,减少干扰因素。有的产品采用了背对背指数斜坡(S形)进一步抑制上电引起的杂音。与RC指数方法不同的是,这种抑制方式不会引起dv/dt的突变。

由于输出电容需要对GND放电,因此断电时的瞬变更难解决。放大器怎么才能在没有电源的情况下控制输出电容的放电?

一种不同的方法

理想的方法是完全省去输出电容,从而消除流经耳机音频线圈的充电或放电的影响。例如通过为耳机驱动提供直流耦合、0V输出偏置,并用双极性电源为放大器供电,就可以省去这些电容。但是绝大多数电池供电设计都受单端电源的限制,这种情况下有如下选择。

一种选择是使用第三个放大器将耳机返回端偏置在电源电压的中间位置,这样就产生了“伪0V”输出偏置。由于主立体声放大器的偏置也是满摆幅的一半,于是可以省去直流耦合电容。因此,第三个放大器必须具备从两个主放大器吸取并提供电流的能力,并足以处理任何耳机插头(插孔管套需要与机壳隔离)插入时的ESD放电。

另一种选择是利用提供的正电源产生专用的负电源,或使用传统的产生负电源的耳机放大器(图2)。对于后者来说,ESD与接地都不成问题,并且额外的电压幅度使输出电压峰-峰值几乎翻倍—采用+3V或小于+3V电源供电时,这是很有用的。

图2. 为了实现放大器的双电源供电,板上电荷泵将正电源电压反相。不再需要串联电容,电荷泵所需的微型陶瓷电容极大地减小了PCB的面积。
图2. 为了实现放大器的双电源供电,板上电荷泵将正电源电压反相。不再需要串联电容,电荷泵所需的微型陶瓷电容极大地减小了PCB的面积。

MAX9724/MAX9728耳机放大器通过正电源引脚产生内部负电源。由于放大器的直流输出偏置为0V,因此不需要输出隔直流电容。内部锁定电路防止由于电源电压过低或上电、断电过程引起的伪操作,因此没有杂音。由于放大器输出电压摆幅几乎是单电源电压的两倍,因此还可以获得其它优点,包括更大的信号摆幅以及更大的输出功率。

进一步的障碍

目前正在进行的设计在产品投放市场之前通常会做出许多妥协。例如,ESD的要求可能需要在耳机驱动器与插孔之间有磁珠或其它EMC措施。这些元件在音频范围内可能构成很大的阻抗,可能引起串扰问题与输出功率损耗。不过,仔细的设计与Kelvin测量技术可以再现良好的音频性能。耳机返回电流也需要考虑。电流增加到100mA时,地平面或PCB引线上有限的阻抗可能产生显著的IR跌落,也会导致输出功率降低以及较差的通道隔离性。类似的机制在与DC-DC转换器共地时会使SNR变差。使用专门的返回引线或覆铜会有所帮助。


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