新型耳机放大器的发展概况

2007-04-26

       近年来，手机、CD机、MP3播放器等便携式装置大量上市。另外，多媒体电脑、PDA、电视机也需要配备耳机输出，使耳机放大器的需求量大增。各大半导体器件厂纷纷推出各种新型耳机放大器，以满足这些数字音频产品的需要。

       耳机放大器的要求

       耳机放大器主要用于使携式音频装置中，它与其他便携式电子产品一样，要求器件具有低工作电压、低功耗、小尺寸封装。耳机放大器还有自身的技术参数要求，要求总谐波失真加噪声(THD+N)小、电源变动抑制率(PSSR)高、信噪比(SNR)高、效率高等。不同的放大器还有不同的附加功能，如内置数字音量控制、内置DAC等。具体性能指标如下。

       输出功率POUT

       耳机放大器输出功率较小，一般为20～100mW(实际输出功率与工作电压大小有关，并且与负载电阻大小及THD+N大小有关)。立体声耳机的负载电阻一般为16Ω或32Ω，负载电阻小的输出功率大一些。

       THD+N

       THD+N的指标一般在0.01%～0.2%的范围内，Hi-Fi级则小于0.01%。该指标与负载电阻RL大小及输出功率POUT大小有关，若RL不同、POUT不同，则其指标有较大差别。例如，同一耳机放大器，在RL=32Ω，POUT=12mW，f=1kHz时，THD+N=0.006%；而在RL=16Ω、POUT=15mW，f=1kHz时，THD+N=0.015%。所以在比较不同耳机放大器的THD+N指标时，必须在基本条件相差不多时才有可比性。

       SNR

       SNR一般在60～90dB范围内，其大小与POUT有关，有一些产品的SNR可达到100dB左右。

       PSRR

       PSRR高的耳机放大器，其性能受电源电压变动的影响小(PSRR高的放大器可以不需稳压电源供电)。PSRR一般为60～80dB，性能好的可达90dB。

       降低工作电压

       为减小便携式产品的体积和重量，最有效的办法是采用能量密度高、体积小的锂离子电池，但锂离子电池价格贵。采用1～2节碱性电池或充电电池来供电，则制造和使用成本会减少很多。近年来，一些厂商开发出仅用1节电池供电的耳机放大器(1节5#或7#碱性电池或镍氢、镍镉电池)更受到消费者欢迎，其工作电压为0.9V～1.8V，既可用1节碱性电池，也可用1节充电电池供电，使一些低档MP3播放机的成本大幅下降，销售量随之大增。

       由于是单电源供电，耳机放大器输出的电压幅值受到工作电压的影响。虽然可采用输出满幅值(rail-to-rail)的放大器，但1V工作电压的输出总是小于1V。

       为了降低工作电压，还要保证足够大的输出电压幅值，在耳机放大器中集成了一个电压反转的电荷泵电路，使输入的VDD转换成-VDD，则耳机放大器由单电源供电变成正负电源供电，输出电压幅值增大了一倍，如图1所示。

德州仪器公司的TPA611xA2耳机放大器的典型应用电路如图2所示。放大器内部的两个325kΩ电阻组成分压器，提供两个通道运放的偏置电压(1/2VDD)，并有关闭控制(SHUTDOWN)端(低电平有效)，实现关闭放大器，使耗电小于10μA。

减少外围元件，不但可节省印刷电路板面积，还能改善性能。图3所示是德州仪器公司2004年8月推出的耳机放大器TPA4411的内部结构及外围元件。TPA4411采用固定增益(AV=-1.5V/V)，无需输出隔直电容器，简化外围元件，并且有如下的优点：减少pcb板面积；降低元器件成本；改善THD+N性能；无需考虑输出电容器对低频响应的影响。图2与图3相比，减少了4个增益设置电阻，省掉两个输出电容器。

       为解决不同音频装置对放大器增益的要求，美信公司(MAXIM)于2004年11月推出了耳机放大器MAX9725，有不同增益供用户选择，MAX9725A、MAX9725B、MAX9725C和MAX9725D的增益分别为 -2V/V、-1.5V/V、-1V/V和-4V/V。从图1中也可看出新型耳机放大器减少外围元件的情况。

       增加附加功能

       性能良好的耳机放大器中一般有关闭控制、过热保护及短路保护、抑制开机/关机噪声(咔啦声及爆裂声)、静噪筹功能。新型耳机放大器还增加了其他附加功能，如数字式音量控制(有I2C接口及数字音量电路)、内置DAC、左右通道线输出等。

       MAX9850是美信公司2004年11月推出的带DAC的耳机放大器，并有立体声线输出。该器件采用单电源1.8～3.6V供电；在1.8V供电时可输出30mW；无需输出电容；PSRR在1kHz时为91dB；时钟频可达40MHz；灵活的I2S兼容数字音频接口；I2C耳机音量及静噪控制；立体声线输入及输出；无咔啦声及爆裂声；两线制(I2C)兼容控制接口；28管脚QFN封装。该器件主要应用于MP3播放器、便携式多媒体播放器、手机、智能电话，便携式DVD等。

       MAX9850的典型应用电路如图4所示。图4中，立体声耳机可插入HPL、HPS、HPR耳机插座中。另外，由OUTL、OUTR线输出经0.47μF输入电容器，输入到MAX9701功率放大器，驱动左右两扬声器。

       日本JRC公司推出的NJW1109是一种有电子音量控制的耳机放大器，图5是该器件的内部结构框图，由微处理器经SDA、SCL来控制音量。该器件内置1/2V+偏置电路(Bias)在Vref端外接10μF旁路电容。INa、INb为音频信号输入，OUTa、OUTb为两路输出(接立体声耳机)。SDA为I2C总线数据输入，SCL为I2C总线时钟输入，ADR为I2C总线从地址选择端。该器件有14管脚DIP封装、DMP封装及SSOP封装。

       采用D类高效放大器

       D类开关型音频放大器的效率高，一般用于输出功率为数瓦或数十瓦的功率放大器中。为了延长电池的寿命，减少功耗，在新型移动电话、PDA、便携式音频装置中也采用了这类放大器。例如，美国国家半导体公司在2004年5月推出的LM4666是高效立体声1.2W开关型音频放大器，在工作电压为3V，负载电阻RL=8Ω，输出功率POUT=100mW时，其效率典型值可达79%。典型应用电路如图6所示。

该器件特点包括：无须输出滤波器；可选择6dB或12dB的增益；外围元件少；有“咔啦”、“爆裂声”抑制电路；有微功耗关闭控制；有短路保护；小尺寸14脚SDA封装。增益选择(GAIN SELECT)端接高电平时增益为6dB，接低电平时为12dB。SHUTDOWN端接低电平时为关闭。