新一代立体声耳机放大器的特性及性能测试

电子设计 2019-06-17 3608

描述

真实接地放大器

一般来讲，耳机放大器的输出级有四种接法：第一种是真实接地的接法，这种解法不需要隔直电容，也不需要兼容立体声耳机，但需要双电源供电；第二种接法是桥接负载，这种接法只需要单电源供电，但不兼容立体声耳机，它的优点是动态范围比较大，可以达到两倍的VDD；第三种接法是电容耦合接法，这种接法兼容立体声耳机，采用单电源供电，但需要一个体积较大、价格比较昂贵的隔直电容，而且高通滤波效果不好；第四种接法是虚拟接地的接法，这种接法中没有耦合电容，也是单电源供电，但如果有麦克风，也不能兼容立体声耳机。

真实接地是用户理所当然的选择。这是因为，首先它不需要大的隔直电容，这种大的隔直电容一般在47μF以上，尺寸较大，而且可能比较贵，同时这种接法也不能提供一个好的高通滤波器。第二个优点是所有信号的参考电平都相同，不管是对麦克风来讲还是对左右声道的耳机输出来讲，其参考都是对地进行参考，所以各个通道之间的串扰可以达到最小，兼容4点的耳机接口，也可用于电视、汽车或者计算机等应用。第三个优点是其ESD和EMI保护相对简单。虽然真实接地的耳机放大器比较好，但是对于IC设计人员而言，并不是很容易。这是由于真实接地的耳机放大器需要正负两路电源供电，而对于便携式产品来说，一般都是直接从电池供电，不会提供一路负电源，那么耳机放大器如何产生这路负电源呢？

放大器

图1 NCP2811A真接地耳机放大器原理图

耳机放大器产生负电源通常有两种方案，第一种是基于电感式的反相器，这种电路的效率比较高，能提供非常大的电流，但是电感的体积仍然很大，成本也很高，而且产生EMI的可能性相对比较大。第二个方案是采用电荷泵的反相器，这种电荷泵反相器的效率也比较高，而且也不需要外部的大电容，不论是输出电容还是泵电容，都是采用0402的封装，2.2μF就足够了。采用电荷泵反相器输出负电压另一个要考虑的问题是需要采用隔离二极管来防止结二极管导电。所以它需要其他电路来适当的偏置隔离晶体管，确保二极管是反向偏置的。

放大器

图2 输出端ESD保护电容

放大器

图3 基本常规设计

如果音频放大器采用“稳压器+放大器”的架构供电，它的电源抑制比（PSRR）一般比较高，比音频放大器直接连接的Vbat和-Vbat之间的系统高。如放大器本身的PSRR可以达到-70dB，稳压器的PSRR本身可以达到-70dB，那么采用“稳压器+放大器”的架构的话，它的PSRR的理论值可以达到140dB。实际上Vbat和音频放大器的集成耦合降低了PSRR的理论值，但整个系统的PSRR仍然有可能达到-90dB到-100dB。综上所述，我们知道真实接地的放大器也是有代价的，因为真实接地放大器需要内部包含转换模块，必然导致芯片尺寸的增加，各个增加部分的面积占整个硅晶片的比例大概是：反相器3.3%、电荷泵30%，布线和划片槽所占的面积也会因此而增加。所以真实接地的立体声耳机放大器比常规立体声放大器的尺寸大50%左右。

安森美半导体真实耳机放大器——NCP2811

NCP2811是一个立体声耳机放大器，可以为16Ω的负载提供100mW的输出，而且THD+N小于0.01%。同时NCP2811有两个版本：NCP2811A是外部可调增益版本，NCP2811B是固定增益版本。这两种版本同时提供?Bump 12引脚封装，芯片的整个封装尺寸只有1.5mm×2mm，0.5mm的管脚间距，同时也提供QFN 3×3的封装，芯片内部集成了Click Noise消除电路，可以有效地抑制Pubclic Noise。

图1为NCP2811A的框架原理图。左上角为产生负电源的Pop模块，左边中间是Pob Clicke消除电路，左下角是外部增益设置的电路，包括反馈电阻、输入电阻和输入电容。右边为两个输出，采用真实接地的接法，不需要隔直电容。

NCP2811B与NCP2811A的主要区别在于它将增益设置放到了内部。芯片内部已经集成了反馈电阻和输入电阻，因此电路的外围只需要提供输入电容就可以了。

放大器

图4 基本虚拟接地设计

放大器

图5 基本的真实接地设计

NCP2811A/B特性

真接地耳机放大器

- 省去2个外部隔直流(DC blocking)大电容

- 能够使用4点连接器，麦克风和耳机使用相同接地引脚

提供内部增益版本(B)或可调节增益版本(A)

零爆音噪声电路

高PSRR(-100dB)

低噪声放大器(7 ?Vrms AW)，信噪比(SNR) = 105dB

CSP-12引脚1.5mm×2mm封装

NCP2811关键性能测试

THD+N

首先测试NCP2811的总谐波失真（THD）和噪声（N），即THD+N。可以看到，在5V供电时，它的最大输出功率可以达到110mW，所以它的驱动能力很强。同时它在16Ω的负载以及32mW的测试条件下，只有0.015%的THD+N。

PSRR

在电源供电为3.6V时，在217Hz处其PSRR在-100dB以下。不论是左声道输出还是右声道输出，它的PSRR都在-100dB以下。

串扰

在测试条件为Vbat=3.6V的情况下，可以看到无论是左声道对右声道，还是右声道对左声道，它的串扰都在-80dB以下。

输出对地保护

NCP2811器件集成了内部短路保护功能，如果两个输出对地有短路状况存在的话，内部自动会启动一个短路保护，这时每个输出管脚对地的电流不会超过300mA。

NCP2811外部元件的选择

对于NCP2811A进行增益设定所需要的电阻包括反馈电阻和输入电阻，用来设定NCP2811A的闭环增益，建议将闭环增益设定在1至10之间，对于输入电容来讲，Rin和Cin是作为一个高通滤波器来使用的，选择适当的Cin，使Cin和Rin的低通滤波器截止频率低于20Hz。可按照如下公式计算：
放大器

在电荷泵电容选择方面，推荐使用低等效串联电阻（ESR）的陶瓷电容（建议X7R或X5R）。在负电压产生期间，泵电容(又称飞跨电容)传递能量。输出电容（Cpvm）要大于等于泵电容，最小的最小的泵电容电容 (Cfly)和Cpvm的值是1?F(0402封装尺寸)。对于输入电容，推荐低ESR的陶瓷电容(建议X7R或X5R)，建议最低选择1?F的电容值。

NCP2811是高性能运算放大器，所以驱动电容性负载时运算变压器会变得不太稳定。如果在实际设计中需要电容性ESD保护，建议在NCP2811输出与ESD保护之间串联一个10Ω电阻，将电容性负载效应降至最低，如图2所示。

耳机驱动器的选型指南

常规的耳机放大器是需要隔直电容的，如图3所示，从左侧看，它需要输入电容、输入电阻和反馈电阻来设定它的增益和高通截止频率，同时它的内部也集成了一个噪声消除电路，并提供一个1/2Vbat的偏置电压。在芯片的右侧有两个输出，通过隔直电容后接到左右声道的耳机上。在电容之前，在芯片上实际上是有一个直流偏置的，一般是在1/2VDD上面，但在电容之后，它实际上是一个纯交流信号，不会有直流电平。

图4所示为一个基本虚拟接地的设计。这种电路也是需要输入电容、输入电阻和反馈电阻来设定整个环路增益以及输入高通滤波器的截止频率。同时它内部也需要集成一个偏置电压，而且这个偏置电压会提供两个管脚接到耳机的反馈端，耳机实际上是接到了OUT_L和OUT_I之间，或者是OUT_R和REF_I之间。此时在耳机的两端都有一个1/2VDD的直流电平存在，当然，最后抵达到耳机的实际上是一个交流的音频信号，而没有一个直流偏置在上面。

图5是一个基本的真实接地的耳机放大器，芯片的最左侧实际上采用的是差分的输入，所以会有四个输入引脚，包括四个输入电容。内部包含一个多路器，同时也会集成一个负电源的供电部分，包括在框图的左下角，有一个CHARGE PUMP模块，在芯片的右下角提供了一个控制接口，芯片中间偏右是两个放大器。右侧耳机的地是接到真实的大地上，而且OUTL和OUTR的波形完全是以地为参考的，只是一个纯粹的交流信号，没有任何的直流偏置。

从兼容性方面来讲，虚拟接地的设计耳机连接器上的虚拟接地需要额外的引脚，而且会产生天线效应，所以它不兼容标准的耳机连接器；对于真实的接法，耳机放大器的地和耳机的地可以和主地共享，能够兼容标准的耳机连接器，所以说真实接地的耳机放大器是客户的首选。

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