从多方面改进传统产品的DirectDrive耳机放大器技术

在电池供电的电子产品中使用的大部分传统的耳机放大器都是工作在正电压和地之间的单电源器件。这一设计导致在放大器中只能通过正极性信号。然而音频信号天生是在正极性和负极性之间来回摆动的。因此，在传统单电源供电放大器可以接受音频信号之前，必须添加一个直流偏置。这个直流偏置典型值为电源电压的一半，以获得最大的信号摆动范围(图1)。

虽然直流偏置是放大所必需的，但扬声器却需要没有直流偏置的信号。当直流偏置施加于扬声器时，扬声器喇叭会从其中间点移动至较接近纸盆最大偏移点的一侧。这意味着该扬声器不再能产生足够无失真的声压。该直流信号还会导致直流能量在音频线圈中散失，从而造成能量浪费及不必要地扬声器加热。在极端情况下，这种加热会永久损坏扬声器。

为了防止该直流偏置到达扬声器，通常要使用一个隔直电容。这个电容与大部分阻抗负载相结合形成一个高通滤波器。由于典型的耳机负载相当于一个32Ω电阻，因此该电容必须相当大以避免阻塞音频带宽中需要的部分。如果需要扩展延伸是至20Hz，那么必须至少使用250μF的电容以确保20Hz时的衰减不会超过3dB。如果使用16Ω的耳机，则隔直电容必须至少达到500μF。虽然一些系统有足够的空间容纳相对便宜而且尺寸合适的铝电解电容，但是大多数便携式设备没有容纳这种电容的空间。在后面这些系统中必须采用更加昂贵的钽电容来节省空间，但即使是这种电容也要占用大量的电路板空间。最终不得不采用较小的电容器来节省空间和成本，但是要以牺牲达20Hz的平坦频率响应为代价。图2给出了几种标准容量电容所产生的频率响应。

图2：具有16Ω负载的传统耳机放大器的频率响应。

DirectDrive耳机放大器技术

DirectDrive耳机放大器通过消除直流偏置省去了输出端对隔直电容的需求。即使DirectDrive耳机放大器是由单电源供电，该放大器也能够通过正、负极信号。负摆幅是通过采用板上电荷泵依据正电源幅度产生一个负电源而获得的。现在已经有双电源供电产品，因此放大器不再需要在单电源下工作。它可以如图3所示实现零偏置。

图3：采用DirectDrive技术的放大器输出波形。

在DirectDrive设计中使用的电荷泵只需2个小陶瓷电容：其中1个快速电容器，另1个是保持电容。这些电容通常都是1μF容量，且尺寸可以小到0402。与传统要220μF输出电容的耳机放大器相比，这些参数的结果是大大节省了空间，同时提供了更优越的性能(图4)。

图4：a)两个1μF充电泵电容与b)两个220μF输出耦合电容相比，节省了很大空间。

DirectDrive技术的优点

很明显，消除传统耳机放大器所需的输出耦合电容在解决尺寸和成本问题方面具有极大的优势。但是采用DirectDrive方法还有许多其他的优点。

1)杂音抑制。DirectDrive技术一个最明显的好处是大大减少了杂音。在用传统耳机放大器时，每当放大器被启动时输出电容就被充电，而每当放大器关断时输出电容又放电。由于电流必须通过耳机，因此充放电过程能产生明显的杂音(图5)。通过去除电容器，DirectDrive消除了一个杂音的主要来源。

图5：a)传统耳机放大器的杂音数据；b)DirectDrive耳机放大器下的杂音数据

2)更好的低音表现。由隔直电容和阻性耳机负载形成的高通滤波器也有发声效应。在大多数系统中，不可能放入电容后还会有20Hz至20kHz的平坦频率响应。为了节省空间和成本，一般使用比理想电容更小的电容，从而导致低频翻转点的增加，最终对系统的低音表现产生不利影响。当采用16Ω耳机时更加剧了这种性能缺陷。典型系统都是为32Ω耳机设计的；当与16Ω耳机相连时，低频拐角加倍，进一步削减了听得见的低音频率。

然而，采用DirectDrive方法后高通滤波器也完全被消除了，因此拐角频率只取决于输入耦合电容。由于放大器的输入阻抗通常都大于10kΩ，因此仅需要一个1μF或更小的电容就可确保足够的音频带宽。

3)低电压工作。DirectDrive技术允许耳机放大器直接在系统主要数字IC采用的电源下工作。由于采用比电池电压更低的电压运行，因此耳机放大器变得更有效率。虽然3.3V甚至2.5V电源比较常见，但1.8V电压正在逐渐代替这些电压。传统耳机放大器在1.8V电压下理论输出功率只有10mW(进32Ω负载)。然而，DirectDrive放大器能将放大器的供应电压加倍，因此对于相同的供应电压来说它能输出高达40mW的功率。这样，放大器在现代系统中能够运行得更有效率，同时仍能产生足够的音量。

4)2VRMS线路输出放大器。在需要一个2VRMS音频输出的系统中DirectDrive产生的双倍供电电压还有第二个好处。通常这些系统已经有一个5V电源了。但是与标准放大器相联结的这个5V电源要输出2VRMS是不够的；要达到2VRMS输出电平需要更高的电源电压。由于DirectDrive方法对现有的电源电压进行了加倍，因此可以从5V电源得到超过2VRMS的输出。

5)减少失真。最后，传统耳机中使用的输出电容会使音频信号中的低频成分产生很大的失真。在低频拐角附近，电容的电压系数使其变得非线性，并将失真引入音频信号。某些情况下这种失真可高达1%，这样的失真既能听到也能测到(图6)。

图6：来自于输出耦合电容的失真。

6)通过消除耦合电容，DirectDrive消除了失真的根源。

小结：DirectDrive耳机放大器从多方面改进了传统的单电源耳机放大器。该技术降低了解决方案的尺寸，节省了成本，并且仅以少许芯片面积增加的代价显著提高了音频质量。

作者：Adrian Rolufs

策略应用工程师

美信集成产品公司