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可改善耳机的音频输出的直接驱动技术

时间：2008-04-14 10:55:00

关键字：直接驱动耳机音频输出驱动技术

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[导读]为了获得尽可能大的动态范围，传统的单电源耳机放大器都会在输出级增加一个直流偏压。

为了获得尽可能大的动态范围，传统的单电源耳机放大器都会在输出级增加一个直流偏压。一般而言，这个直流偏压的值会被设为1/2VCC。因此，输出级和耳机之间就必须增加一个大容量的交流耦合电容，来隔离直流(220uF)。图1给出了这种电路的简化图。

如果没有这个隔直电容，就会使大的直流电流毫无阻隔的流入耳机，造成不必要的功率损耗，甚至可能损坏耳机和耳机放大器。但增加的隔直电容需要足够大的容量，因此又会增加电路的体积和成本。并且，这个隔直电容和耳机的阻抗负载构成了一个RC高通滤波器。-3dB截止频率点由下式决定：

f_-3dB=1/(2πR_LC_OUT)

R_L是耳机负载阻抗，C_OUT是输出隔直电容。

值得注意的是，这个高通滤波器会对低频信号造成衰减，劣化放大器电路的低频响应，造成音频信号的失真。大容量的输出隔直电容可以减小低频信号的衰减效应，但缺点是电容的体积太大、价格也颇为昂贵。图2给出了不同容值的隔直电容的低频衰减特性。可以明显注意到，当耳机负载为16Ω、输出隔直电容为100uF时，其-3dB截止频率点为100Hz，正好落在音频范围内，造成低频信号的衰减。

图1：传统单电源耳机放大器电路，需要两个至少大于100uF的隔直电容。

电容电压的变化所引起的电容值变化，被称作电容的电压系数。在-3dB衰减频率点时，电容主要呈电抗特性，电压系数表现为与频率相关的失真。图3显示了由隔直电容引起的失真，可以看到，在100Hz以下的低频，THD+N急剧增高。

图2：隔直电容的低频衰减特性。

MAXIM公司专利的音频放大器直接驱动技术克服了上述缺点。直接驱动技术的核心是采用充电泵电路产生一个内部负压，使耳机放大器的直流偏置点就在电源的地电平上。从电路上看，输出端不再需要容量高达220uF的隔直电容，而只是增加了充电泵电路需要的两个小电容(1uF)。因此，电路的体积和成本都得到了大幅降低。并且，改进后的输出动态范围几乎是传统电路的两倍，由于去掉了隔直电容，频率响应也得以改善。图4是采用了直接驱动技术的MAX4410的简单示意图。

图3：隔直电容引起的失真。

图5是采用MAX4410的耳机放大器的典型电路。与传统电路相比，它有以下优点：

不再需要大容量的输出隔直电容(典型值为100μF-470μF)，同时还能消除由电容的电压系数效应引起的THD失真。

-3dB截频点由输入电阻和电容决定。根据图5电路中的输入电阻和电容值得到的截频点在1.6Hz附近。而在传统AC耦合输出的电路中，16Ω耳机需要6200μF的输出隔直电容才能达到1.6Hz的低频-3dB截频点。这在实际应用中几乎是不可能的。而且，图5电路的低频响应也不再与负载相关。

图4: 充电泵电路产生负压，输出直流偏置点在地电平，不再需要大容量的输出隔直电容(220uF)，而是换成充电泵电路所需要的小电容(1uF)。

开关/切换噪声消除电路

在传统的单电源耳机放大器电路中，隔直电容是开关/切换噪声的主要来源。因为在上电时，隔直电容被充电到直流偏置电压；关电时，则又要从直流偏置电压放电到地电平。在这一瞬态过程中，耳机上会产生音频噪声。MAXIM直接驱动技术去掉了隔直电容，也就去掉了开关/切换噪声的最大来源。同时，MAXIM的音频放大器还采用了额外的降噪控制电路，可在电源开关时去除输入部分的开关/切换噪声。在大多数应用中，MAX4410的前级驱动器都会有一个直流偏置，通常为VCC的一半。

图5: MAX4410典型电路，通过采用10μF的输入电容，将所有可能的电压系数引起的失真都压到人耳音频范围以外，-3dB截频点为1.6Hz。

在上电启动过程中，输入耦合电容通过MAX4410的R_F被充电到这个直流偏置电压上，引发一次输入电容的电压波动，形成人耳可感知的开关/切换噪声。与前级驱动器相关的输入滤波器R_IN和C_IN构成一个时间常数，MAX4410通过上电时延迟/SHDN关断控制脚的上升时间，大约为4到5倍输入RC电路时间常数(200～300ms)，将这个与输入相关的开关噪声去除掉。

图6: MAX4410在电源开关时的输出频谱，输入端接地，输出的杂波音频成分降到了最低。