概述
現(xiàn)今市面上的耳機(jī)放大器可謂種類繁多，但在選購(gòu)指南卻很少見(jiàn)到。本文將綜合討論市面上主要類型放大器的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用為放大器選型提出一些合理建議。
耳機(jī)放大器輸出概覽
在擴(kuò)音技術(shù)發(fā)展的早期，耳機(jī)已被用來(lái)邊走邊聽(tīng)音樂(lè)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，耳機(jī)已基本形成了一個(gè)相對(duì)通用的配置規(guī)格�，F(xiàn)今差不多所有的耳機(jī)都采用一種名為T(mén)RS(尖環(huán)套管)連接器的3.5毫米(標(biāo)稱為1/8英寸)三端子連接器。有一少部份的耳機(jī)采用比較大的1/4英寸(標(biāo)稱為6.3毫米)格式的TRS連接器。圖1所示為一個(gè)TRS連接器，這款連接器的最大特點(diǎn)是可共享性，意即它幾乎可以連接到市面上任何一個(gè)音頻或多媒體電子設(shè)備上。
圖1 尖環(huán)套管連接器
可是，隨著耳機(jī)應(yīng)用的日漸普遍，這種共享性也逐漸暴露出了它缺陷：兩個(gè)揚(yáng)聲器要共享一個(gè)連接(或接地)�，F(xiàn)今大部份的便攜消費(fèi)電子設(shè)備都使用一個(gè)正電源來(lái)供電。而音頻的交流本質(zhì)會(huì)迫使電子設(shè)備在電源的單極性與雙極性之間出現(xiàn)某程度的電平移位。
電容耦合放大器輸出
使用單一正電源的耳機(jī)放大器很容易就可以通過(guò)耦合電容器來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)有接地參考的耳機(jī)。如圖2所示，圖中的雙通道放大器在中間電源被偏置，并且通過(guò)一對(duì)耦合電容器來(lái)驅(qū)動(dòng)立體聲耳機(jī)。
圖2 電容耦合耳機(jī)放大器
為這些電容器選擇適當(dāng)?shù)碾娙葜迪鄬?duì)簡(jiǎn)單，可用以下的數(shù)式計(jì)算出來(lái)：
其中CMIN是最小的可用電容值，fC是所要求的低截止頻率，ZL是耳機(jī)的阻抗。舉例來(lái)說(shuō)，假如所要求的截止頻率為100Hz，負(fù)載阻抗是16W，那所需的電容值便應(yīng)為100mF�？墒窃趯�(shí)際的情況中，一般都會(huì)選用比標(biāo)準(zhǔn)所需更大的電容值從而確保有足夠的低音響應(yīng)，并可將接近截止頻率的失真推至更低。
由于經(jīng)輸出電容器會(huì)造成電平移位極性，因此通常都會(huì)選用一個(gè)極化電容器。即使極化電容器具有很高的C-V密度，它們?nèi)匀皇欠糯笃飨到y(tǒng)中最大的對(duì)象，其體積比起連接器本身更大。
雖然標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算放大器也可用作電容器耦合耳機(jī)放大器，但當(dāng)它在上電和下電時(shí)一般都會(huì)發(fā)出很嘈雜的“卡嗒”或“啪啪”聲。針對(duì)此類應(yīng)用的放大器例如LM48100，具有一個(gè)可控的上電和下電程序，能夠有效地消除這種開(kāi)關(guān)噪聲。
電容耦合放大器無(wú)疑是最便宜的耳機(jī)放大器IC。雖然由放大器省回來(lái)的成本會(huì)某程度地被耦合電容器抵銷(xiāo)，但只要HUL空間不是首要考慮的問(wèn)題，那設(shè)計(jì)人員一般都會(huì)選用電容器耦合耳機(jī)放大器。
OCL(無(wú)輸出電容器)放大器
驅(qū)動(dòng)接地參考耳機(jī)的方法之一便是用第三個(gè)放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)套管(接地)端。如圖3所示。圖中的第三個(gè)放大器在中間電源被偏置，它將套管驅(qū)動(dòng)到一個(gè)固定的直流電壓。從而AC音頻信號(hào)在這個(gè)中間電源電壓的附近被偏置。
圖3 無(wú)輸出電容器耳機(jī)放大器
OCL放大器的主要優(yōu)點(diǎn)是其低音響應(yīng)可以擴(kuò)展到直流電源電壓。這功能對(duì)于大部份系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都難以達(dá)到。因?yàn)殡娐返钠渌糠萑钥赡茉O(shè)有耦合電容器，這些耦合電容器要在很高的阻抗下工作，例如20kΩ。因此要求這些電容器的尺寸和成本要是最低的。
OCL耳機(jī)放大器可算是最小的系統(tǒng)。與電容器耦合耳機(jī)放大器比較，OCL耳機(jī)放大器的成本和功耗相對(duì)較大。由于OCL耳機(jī)放大器擁有最佳的低音響應(yīng)，因此對(duì)于那些尺寸要求比較苛刻或工作電壓最小為2.5V的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，OCL耳機(jī)放大器仍是不二之選。
如果管套在接地以上被偏置，有些系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)故障。故障通常發(fā)生是因?yàn)槎鷻C(jī)的插口連接著其它的設(shè)備而不是耳機(jī)。假如有兩個(gè)系統(tǒng)經(jīng)一個(gè)地線參考(非隔離)接地共享一個(gè)接地，那便可能有過(guò)大的電流流經(jīng)套管連接。
接地參考放大器輸出
修正OCL耳機(jī)放大器的非接地套管問(wèn)題的一個(gè)方法是使用接地參考耳機(jī)放大器。圖4所示為一個(gè)接地參考耳機(jī)放大器。當(dāng)中放大器電路上的電荷泵會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)負(fù)電壓，改電壓值與正電源相等，但極性恰好相反。該接地參考耳機(jī)放大器會(huì)在正電源與負(fù)電源之間運(yùn)作，從而使輸出產(chǎn)生出一個(gè)交流音頻信號(hào)。
圖4 接地參考耳機(jī)放大器
與OCL耳機(jī)放大器相比，采用接地參考耳機(jī)放大器通常都會(huì)使電路的成本增加，而且功耗大約是OCL的兩倍。然而，接地參考耳機(jī)放大器同樣擁有極優(yōu)的低音響應(yīng)。由于接地參考耳機(jī)放大器能夠有效地將電源增大一倍，因此即使電壓低至1.4V，仍能產(chǎn)生出足夠的輸出功率。接地參考耳機(jī)放大器通常用于對(duì)空間要求苛刻的系統(tǒng)中，而且該系統(tǒng)的耳機(jī)插口可能需要連接到其它的設(shè)備。
接地參考耳機(jī)放大器的最大缺點(diǎn)是功耗較大。電路中的電荷泵會(huì)從正電源提取電流，而由于電荷泵的效率損耗，所提取的電流一般會(huì)比放大器的偏置電流稍微大一點(diǎn)。此外，電荷泵的另一個(gè)問(wèn)題是它屬于自激性的振蕩器，可能會(huì)對(duì)鄰近的電路產(chǎn)生一些影響。電荷泵的頻率即使聽(tīng)不到，也可以在負(fù)電源搖擺時(shí)的音頻信號(hào)中看出來(lái)。
高性能耳機(jī)放大器
高性能耳機(jī)放大器可以提供優(yōu)質(zhì)的音頻感受。圖5為一個(gè)高性能耳機(jī)放大器。在這個(gè)圖例中，系統(tǒng)采用了雙電源，典型值是±5V到±15V，而且兩個(gè)電源均有穩(wěn)壓處理。電路中的高性能運(yùn)算放大器在共享環(huán)路內(nèi)驅(qū)動(dòng)一個(gè)高電流緩沖器，并在合成放大器電路周?chē)答仭?/font>
圖5 高性能耳機(jī)放大器
高性能耳機(jī)放大器的最大優(yōu)點(diǎn)是可將系統(tǒng)的兩個(gè)主要部份分隔開(kāi)。輸入放大器訂立系統(tǒng)的整體音質(zhì)。在圖例中，THD+N為0.00003%的LM4562便提供了穩(wěn)健的音效基礎(chǔ)，而真正用來(lái)驅(qū)動(dòng)低阻抗耳機(jī)的是LME49600高電流緩沖器。上述方法可有效地消除來(lái)自精密控制電路的負(fù)載電流所引致的熱梯度，就如一位優(yōu)雅的芭蕾舞演員去控制一個(gè)肌肉發(fā)達(dá)的橄欖球后衛(wèi)一樣。
高性能耳機(jī)放大器最好配合高質(zhì)的音頻信源使用。因?yàn)檫@些放大器首要考慮的是高保真度，其次才是成本、尺寸和功耗等問(wèn)題。
最理想的音頻還原系統(tǒng)是用一個(gè)高性能、高采樣率(即24位和192kHz)的音頻信源來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍在120dB以上的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，而模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出可用來(lái)直接驅(qū)動(dòng)高性能耳機(jī)放大器的輸入，并且不需要在模擬領(lǐng)域做任何的信號(hào)調(diào)理。所有的音量控制均在微控制器的指令下由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以數(shù)字形式來(lái)控制。
不同耳機(jī)放大器的優(yōu)劣比較
為您的應(yīng)用選擇合適的耳機(jī)放大器其實(shí)是頗為簡(jiǎn)單的一件事。圖6中的數(shù)據(jù)表示出系統(tǒng)普遍需要優(yōu)化的參數(shù)，并提供了針對(duì)不同拓?fù)湫阅鼙容^。
表1 比較不同耳機(jī)放大器拓?fù)涞膮?shù)
采用單枚1.2V/1.5V電池的數(shù)字音頻播放器
數(shù)字音頻播放器(DAP)需要良好的音質(zhì)，體積小巧。當(dāng)DAP采用單枚電池時(shí)，無(wú)論是最基本的堿性電池抑或是鎳金屬混合可充電電池，都難以從中獲得足夠的輸出功率。配備有電源倍增電荷泵的接地參考放大器便是解決這個(gè)問(wèn)題的最佳方案。該放大器不但尺寸小巧，而且還有良好的低音響應(yīng)。
采用鋰正離子電池的數(shù)字音頻播放器
采用鋰正離子(Li+或鋰聚合物電池等)來(lái)運(yùn)行的數(shù)字音頻播放器由于可獲得較大的電源電壓，因此可使用一個(gè)OCL耳機(jī)放大器。大部份的數(shù)字音頻放大器事實(shí)上在連接到計(jì)算機(jī)時(shí)都會(huì)把其仿真耳機(jī)輸出關(guān)閉，以解決套管的偏置電壓?jiǎn)栴}。此外，OCL放大器的優(yōu)點(diǎn)還包括相對(duì)較小的體積和比接地參考耳機(jī)放大器更低的成本。
帶有立體聲頭戴耳機(jī)的手機(jī)
手機(jī)市場(chǎng)現(xiàn)正劃分為OCL與接地參考耳機(jī)放大器兩個(gè)部份。這些采用鋰正離子來(lái)供電的手機(jī)，電壓根本不成問(wèn)題。問(wèn)題在于有些手機(jī)具備有多個(gè)功能端口。當(dāng)手機(jī)用作視頻輸入時(shí)，端口必須可承受一個(gè)負(fù)同步脈沖。在容忍負(fù)脈沖方面，接地參考耳機(jī)放大器可謂駕輕就熟。
手機(jī)或DAP功能擴(kuò)展底座
現(xiàn)今不少的功能擴(kuò)展底座在內(nèi)部都設(shè)有足夠的空間，因此電容器耦合耳機(jī)放大器的電容器尺寸便不再是一個(gè)問(wèn)題。毫無(wú)疑問(wèn)，這種拓?fù)鋵?duì)于較低檔次的功能擴(kuò)展底座來(lái)說(shuō)是不錯(cuò)的選擇。但對(duì)于比較高檔次的產(chǎn)品而言，采用OCL或接地參考放大器可以獲得更佳的低音響應(yīng)。事實(shí)上，高檔次的功能擴(kuò)展底座市場(chǎng)正是高性能耳機(jī)放大器的目標(biāo)市場(chǎng)之一。
高性能個(gè)人耳機(jī)放大器
個(gè)人耳機(jī)放大器市場(chǎng)所采納的電路拓?fù)淇芍^種類繁多，但大部份都與圖5的方案類似。這些拓?fù)渥兓倍�，從真空管到單一晶體管放大器都有擁護(hù)者。
結(jié)語(yǔ)
使用不同的放大器都可以輕易地克服一般耳機(jī)上TRS共享接地端子的限制。每一種方法均有其優(yōu)點(diǎn)。只要選擇得宜，設(shè)計(jì)人員可獲取最優(yōu)的設(shè)計(jì)。
我司的耳機(jī)放大器IC資料請(qǐng)查閱：http://www.szdfyl.cn/product_1040.htm |
