低功耗、高質(zhì)量便攜式音頻產(chǎn)品的實現(xiàn)技術(shù)
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直流偏壓耳機(jī)放大器
用來隔離DC電流的最常見技術(shù)是采用去耦電容，如圖1所示。在信號路徑中放置一個電容可以創(chuàng)建一個高通濾波器，其角頻率由耳機(jī)阻抗(R)和去耦電容(C)設(shè)置，等于1/(2πRC)。通常人的耳朵能夠聽到聲音頻率最低為20Hz。根據(jù)這個下限和耳機(jī)的典型阻抗，可很容易地計算出所需的電容值。對于20Hz的角頻率，電容容值取500uF。
很顯然，由于成本和在PCB上安裝這個大體積電容所需的空間，這種解決方案無法被接受。通常可以接受的折衷方案是采用220uF電容，此時角頻率大約為45Hz，而且占用更少的板上空間。雖然這種折衷方案傳統(tǒng)上已被用于許多設(shè)計中，但它仍然是一種折衷。值得注意的是，這種拓?fù)洳贿m用于單1.8V系統(tǒng)，因為1.8V放大器無法將耳機(jī)驅(qū)動到可接受的收聽音量水平的能力。盡管存在成本、PCB空間和頻率響應(yīng)方面的局限性，但多年來容性耦合的耳機(jī)放大器一直都是便攜式音頻產(chǎn)品中唯一可行的解決方案。雖然這種拓?fù)湟驯挥迷谠S多設(shè)計中，但當(dāng)系統(tǒng)要求變得更加嚴(yán)格時，這種折衷成具有顯著的局限性。
圖2：集成的地居中耳機(jī)放大器。
地居中耳機(jī)放大器
輸出信號地居中(ground-centered)的耳機(jī)放大器是一個理想的解決方案。如圖2所示，利用與DC電位一樣的放大器輸出作為耳機(jī)回送(地)，DC電流將不會流過耳機(jī)。與直流偏壓放大器相比，這種放大器在低頻率響應(yīng)、節(jié)省PCB空間和元件成本方面具有明顯優(yōu)勢。然而，地居中放大器對系統(tǒng)的一個要求是同時需要正、負(fù)電源電壓。
圖3：分別基于這兩種放大器的音頻轉(zhuǎn)換器PCB布局圖。
Cirrus Logic公司和其它制造商通過集成充電泵來產(chǎn)生耳機(jī)放大器所需的負(fù)電源電壓，從而解決了這個問題。這些充電泵效率比較高，并且僅需最少的外部元件。這種拓?fù)洳坏恍枰鷻C(jī)的去耦電容，而且可從1.8V系統(tǒng)獲得能產(chǎn)生足夠收聽音量的功率。充電泵產(chǎn)生負(fù)1.8V電壓，能有效地為3.6V放大器供電。
與直流偏壓放大器相比，地居中放大器具有許多優(yōu)勢：
(1)最大限度地減少了PCB空間。圖3給出了需要隔直電容的音頻編解碼器與集成了地居中放大器的音頻編解碼器的PCB布局圖。
(2)去掉電容C3和C4可節(jié)省50mm2以上的板上空間。內(nèi)部充電泵需要電容C5和C6，這些電容與典型的電源去耦電容的大小相當(dāng)。
(3)具有最優(yōu)的低頻性能。由于地居中放大器不需要帶有大串聯(lián)電容的高通濾波器(HPF)，所以它具有良好的低頻響應(yīng)。圖4是兩者的頻率響應(yīng)對比。
(4)由單1.8V系統(tǒng)電源供電就能提供適當(dāng)?shù)氖章犚袅?。充電泵可產(chǎn)生負(fù)1.8V電源電壓，當(dāng)與系統(tǒng)的1.8V電源組合使用時，可有效地產(chǎn)生3.6V電壓來驅(qū)動放大器。這種結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)可以采用單1.8V電源，以盡量減少功耗，并保持產(chǎn)生足夠收聽音量的能力。
(5)在上電和斷電的瞬態(tài)過程中沒有噪音。除了具有在直流偏壓放大器配置中需要折衷的所有優(yōu)勢外，由于不需要隔直電容，地居中配置在上電和斷電的瞬變過程中，不會產(chǎn)生由隔直電容充放電引起的喀噠聲和砰砰聲。
圖4：頻率響應(yīng)顯示了截至頻率與音頻帶寬的關(guān)系。
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