真實接地放大器

一般來講，耳機(jī)放大器的輸出級有四種接法：第一種是真實接地的接法，這種解法不需要隔直電容，也不需要兼容立體聲耳機(jī)，但需要雙電源供電；第二種接法是橋接負(fù)載，這種接法只需要單電源供電，但不兼容立體聲耳機(jī)，它的優(yōu)點是動態(tài)范圍比較大，可以達(dá)到兩倍的VDD；第三種接法是電容耦合接法，這種接法兼容立體聲耳機(jī)，采用單電源供電，但需要一個體積較大、價格比較昂貴的隔直電容，而且高通濾波效果不好；第四種接法是虛擬接地的接法，這種接法中沒有耦合電容，也是單電源供電，但如果有麥克風(fēng)，也不能兼容立體聲耳機(jī)。

真實接地是用戶理所當(dāng)然的選擇。這是因為，首先它不需要大的隔直電容，這種大的隔直電容一般在47μF以上，尺寸較大，而且可能比較貴，同時這種接法也不能提供一個好的高通濾波器。第二個優(yōu)點是所有信號的參考電平都相同，不管是對麥克風(fēng)來講還是對左右聲道的耳機(jī)輸出來講，其參考都是對地進(jìn)行參考，所以各個通道之間的串?dāng)_可以達(dá)到最小，兼容4點的耳機(jī)接口，也可用于電視、汽車或者計算機(jī)等應(yīng)用。第三個優(yōu)點是其ESD和EMI保護(hù)相對簡單。雖然真實接地的耳機(jī)放大器比較好，但是對于IC設(shè)計人員而言，并不是很容易。這是由于真實接地的耳機(jī)放大器需要正負(fù)兩路電源供電，而對于便攜式產(chǎn)品來說，一般都是直接從電池供電，不會提供一路負(fù)電源，那么耳機(jī)放大器如何產(chǎn)生這路負(fù)電源呢？

圖1 NCP2811A真接地耳機(jī)放大器原理圖

耳機(jī)放大器產(chǎn)生負(fù)電源通常有兩種方案，第一種是基于電感式的反相器，這種電路的效率比較高，能提供非常大的電流，但是電感的體積仍然很大，成本也很高，而且產(chǎn)生EMI的可能性相對比較大。第二個方案是采用電荷泵的反相器，這種電荷泵反相器的效率也比較高，而且也不需要外部的大電容，不論是輸出電容還是泵電容，都是采用0402的封裝，2.2μF就足夠了。采用電荷泵反相器輸出負(fù)電壓另一個要考慮的問題是需要采用隔離二極管來防止結(jié)二極管導(dǎo)電。所以它需要其他電路來適當(dāng)?shù)钠酶綦x晶體管，確保二極管是反向偏置的。

圖2 輸出端ESD保護(hù)電容

圖3 基本常規(guī)設(shè)計

如果音頻放大器采用“穩(wěn)壓器+放大器”的架構(gòu)供電，它的電源抑制比（PSRR）一般比較高，比音頻放大器直接連接的Vbat和-Vbat之間的系統(tǒng)高。如放大器本身的PSRR可以達(dá)到-70dB，穩(wěn)壓器的PSRR本身可以達(dá)到-70dB，那么采用“穩(wěn)壓器+放大器”的架構(gòu)的話，它的PSRR的理論值可以達(dá)到140dB。實際上Vbat和音頻放大器的集成耦合降低了PSRR的理論值，但整個系統(tǒng)的PSRR仍然有可能達(dá)到-90dB到-100dB。綜上所述，我們知道真實接地的放大器也是有代價的，因為真實接地放大器需要內(nèi)部包含轉(zhuǎn)換模塊，必然導(dǎo)致芯片尺寸的增加，各個增加部分的面積占整個硅晶片的比例大概是：反相器3.3%、電荷泵30%，布線和劃片槽所占的面積也會因此而增加。所以真實接地的立體聲耳機(jī)放大器比常規(guī)立體聲放大器的尺寸大50%左右。

安森美半導(dǎo)體真實耳機(jī)放大器——NCP2811

NCP2811是一個立體聲耳機(jī)放大器，可以為16Ω的負(fù)載提供100mW的輸出，而且THD+N小于0.01%。同時NCP2811有兩個版本：NCP2811A是外部可調(diào)增益版本，NCP2811B是固定增益版本。這兩種版本同時提供?Bump 12引腳封裝，芯片的整個封裝尺寸只有1.5mm×2mm，0.5mm的管腳間距，同時也提供QFN 3×3的封裝，芯片內(nèi)部集成了Click Noise消除電路，可以有效地抑制Pubclic Noise。

圖1為NCP2811A的框架原理圖。左上角為產(chǎn)生負(fù)電源的Pop模塊，左邊中間是Pob Clicke消除電路，左下角是外部增益設(shè)置的電路，包括反饋電阻、輸入電阻和輸入電容。右邊為兩個輸出，采用真實接地的接法，不需要隔直電容。

NCP2811B與NCP2811A的主要區(qū)別在于它將增益設(shè)置放到了內(nèi)部。芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了反饋電阻和輸入電阻，因此電路的外圍只需要提供輸入電容就可以了。

圖4 基本虛擬接地設(shè)計

圖5 基本的真實接地設(shè)計

NCP2811A/B特性

真接地耳機(jī)放大器

- 省去2個外部隔直流(DC blocking)大電容

- 能夠使用4點連接器，麥克風(fēng)和耳機(jī)使用相同接地引腳

提供內(nèi)部增益版本(B)或可調(diào)節(jié)增益版本(A)

零爆音噪聲電路

高PSRR(-100dB)

低噪聲放大器(7 ?Vrms AW)，信噪比(SNR) = 105dB

CSP-12引腳1.5mm×2mm封裝

NCP2811關(guān)鍵性能測試

THD+N

首先測試NCP2811的總諧波失真（THD）和噪聲（N），即THD+N。可以看到，在5V供電時，它的最大輸出功率可以達(dá)到110mW，所以它的驅(qū)動能力很強(qiáng)。同時它在16Ω的負(fù)載以及32mW的測試條件下，只有0.015%的THD+N。

PSRR

在電源供電為3.6V時，在217Hz處其PSRR在-100dB以下。不論是左聲道輸出還是右聲道輸出，它的PSRR都在-100dB以下。

串?dāng)_

在測試條件為Vbat=3.6V的情況下，可以看到無論是左聲道對右聲道，還是右聲道對左聲道，它的串?dāng)_都在-80dB以下。

輸出對地保護(hù)

NCP2811器件集成了內(nèi)部短路保護(hù)功能，如果兩個輸出對地有短路狀況存在的話，內(nèi)部自動會啟動一個短路保護(hù)，這時每個輸出管腳對地的電流不會超過300mA。

NCP2811外部元件的選擇

對于NCP2811A進(jìn)行增益設(shè)定所需要的電阻包括反饋電阻和輸入電阻，用來設(shè)定NCP2811A的閉環(huán)增益，建議將閉環(huán)增益設(shè)定在1至10之間，對于輸入電容來講，Rin和Cin是作為一個高通濾波器來使用的，選擇適當(dāng)?shù)腃in，使Cin和Rin的低通濾波器截止頻率低于20Hz。可按照如下公式計算：

在電荷泵電容選擇方面，推薦使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷電容（建議X7R或X5R）。在負(fù)電壓產(chǎn)生期間，泵電容(又稱飛跨電容)傳遞能量。輸出電容（Cpvm）要大于等于泵電容，最小的最小的泵電容電容 (Cfly)和Cpvm的值是1?F(0402封裝尺寸)。對于輸入電容，推薦低ESR的陶瓷電容(建議X7R或X5R)，建議最低選擇1?F的電容值。

NCP2811是高性能運算放大器，所以驅(qū)動電容性負(fù)載時運算變壓器會變得不太穩(wěn)定。如果在實際設(shè)計中需要電容性ESD保護(hù)，建議在NCP2811輸出與ESD保護(hù)之間串聯(lián)一個10Ω電阻，將電容性負(fù)載效應(yīng)降至最低，如圖2所示。

耳機(jī)驅(qū)動器的選型指南

常規(guī)的耳機(jī)放大器是需要隔直電容的，如圖3所示，從左側(cè)看，它需要輸入電容、輸入電阻和反饋電阻來設(shè)定它的增益和高通截止頻率，同時它的內(nèi)部也集成了一個噪聲消除電路，并提供一個1/2Vbat的偏置電壓。在芯片的右側(cè)有兩個輸出，通過隔直電容后接到左右聲道的耳機(jī)上。在電容之前，在芯片上實際上是有一個直流偏置的，一般是在1/2VDD上面，但在電容之后，它實際上是一個純交流信號，不會有直流電平。

圖4所示為一個基本虛擬接地的設(shè)計。這種電路也是需要輸入電容、輸入電阻和反饋電阻來設(shè)定整個環(huán)路增益以及輸入高通濾波器的截止頻率。同時它內(nèi)部也需要集成一個偏置電壓，而且這個偏置電壓會提供兩個管腳接到耳機(jī)的反饋端，耳機(jī)實際上是接到了OUT_L和OUT_I之間，或者是OUT_R和REF_I之間。此時在耳機(jī)的兩端都有一個1/2VDD的直流電平存在，當(dāng)然，最后抵達(dá)到耳機(jī)的實際上是一個交流的音頻信號，而沒有一個直流偏置在上面。

圖5是一個基本的真實接地的耳機(jī)放大器，芯片的最左側(cè)實際上采用的是差分的輸入，所以會有四個輸入引腳，包括四個輸入電容。內(nèi)部包含一個多路器，同時也會集成一個負(fù)電源的供電部分，包括在框圖的左下角，有一個CHARGE PUMP模塊，在芯片的右下角提供了一個控制接口，芯片中間偏右是兩個放大器。右側(cè)耳機(jī)的地是接到真實的大地上，而且OUTL和OUTR的波形完全是以地為參考的，只是一個純粹的交流信號，沒有任何的直流偏置。

從兼容性方面來講，虛擬接地的設(shè)計耳機(jī)連接器上的虛擬接地需要額外的引腳，而且會產(chǎn)生天線效應(yīng)，所以它不兼容標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)連接器；對于真實的接法，耳機(jī)放大器的地和耳機(jī)的地可以和主地共享，能夠兼容標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)連接器，所以說真實接地的耳機(jī)放大器是客戶的首選。