DirectDrive技术耳机放大器的工作原理及优势

摘要：DirectDrive专有架构¹可免除传统耳机放大器输出所需要的隔直电容。这篇文章对DirectDrive技术进行了描述，包括工作原理和该技术所具有的优势。

传统的耳机放大器

大多数电池供电的电子产品中所采用的传统的耳机放大器都是采用单电源供电，信号摆幅介于正电压和地电平之间。这种设计的结果使放大器只能通过正电压信号。然而，音频信号通常是正负变化的。因此传统的单电源放大器在接受音频信号以前，需要加入直流偏压。这个直流偏压通常是供电电压的一半，以实现最大信号摆幅(图1)。


图1. 传统的输出波形

虽然直流偏压对于放大电路来说是必需的，但扬声器却要求信号不带直流偏压。当扬声器上接入了直流偏压时，扬声器振盆将由其中间平衡点向最大偏移点一侧偏移。这意味着扬声器在不失真的情况下将无法产生太大的声压。直流电平同时还会在扬声器线圈中引入直流损耗，从而增加了功耗并使扬声器造成不必要的发热。在极端情况下，这样的发热可能会永久损坏扬声器。

为实现扬声器与直流偏压的隔离，通常需要使用隔直电容。这一电容与大多数情况下连接的阻性负载一起构成了高通滤波器。由于典型的耳机负载等效为一个32Ω的电阻，电容容值必须足够大，以避免滤除音频带宽中的有用部分。假如有效带宽下限为20Hz，必须采用最小250µF的电容，以确保在20Hz处的衰减最大不超过3dB。如果采用16Ω的耳机，则最小需要500µF的隔直电容。虽然有些系统有足够的空间可以采用这类大尺寸的廉价铝电解电容，但大多数便携式设备还是没有足够的空间容纳这么大电容。对于后者，必须使用比较昂贵的钽电容以节省空间，但即便是采用这类电容仍需占用很大的电路板空间。因此，经常使用小电容以节省空间和成本，但这是以牺牲20Hz的平坦频率响应为代价。图2给出了采用不同标准尺寸的电容所对应的频率响应。


图2. 传统的耳机放大器的频率响应(16Ω负载)

DirectDrive技术

DirectDrive耳机放大器无需直流偏压，从而省去了输出端所需要的隔直电容。尽管DirectDrive耳机放大器仍然采用单电源供电，但放大器却可以处理正负信号。片上电荷泵可产生与正电压相同摆幅的负电压，从而允许接受负信号。由于可提供双电源，使放大器不再工作在单电源供电下。如图3所示，运放将被偏置到地电平。


图3. 采用DirectDrive技术的放大器输出波形

DirectDrive所采用的电荷泵只需要两个小尺寸陶瓷电容：一个飞电容以及一个保持电容。这两个电容的典型值是1µF，最小可采用0402规格。这与传统耳机放大器所采用220µF输出电容相比，大大节省了空间，并且具有更加优异的性能(图4)。


图4. a) 两个1µF电荷泵电容相比b) 两个220µF输出耦合电容，大大节省了空间

DirectDrive优势

很明显，DirectDrive免去了传统的耳机放大器所需要的输出耦合电容，在整体解决方案尺寸和成本上具有很显著的优势。同时，DirectDrive技术还具有其他很多优点。

1. 杂音抑制
   DirectDrive技术的一个最显著优点在于大大降低了杂音。在传统的耳机放大器中，每次放大器使能时，都要对输出电容进行充电，关闭时要进行放电。这一充/放电过程中电流流经耳机，从而产生了比较明显的啪噗声(图5)。DirectDrive省去了电容，从而消除了产生杂音的主要来源。
   
   
   图5. 数据显示在两类放大器中的杂音：a) 传统的耳机放大器，b) DirectDrive耳机放大器
   
   
2. 更好的低音性能
   由隔直电容和阻性耳机负载形成的高通滤波器同样会影响音效。在大多数系统中，不可能采用同一电容实现从20Hz到20kHz整个范围内的频率响应。为了节省空间和成本，常使用比理想电容小点的电容，从而提高了低频滚降点，进而降低了系统的低音性能。如果使用16Ω的耳机，对低音性能的影响将更大。典型的系统通常是针对32Ω的耳机设计；当连接16Ω的耳机时，低频截止频率会增大两倍，将进一步减少低音频率。
   
   然而，采用DirectDrive技术，将完全免去高通滤波器，因而可以使用输入耦合电容设定转角频率。由于放大器的输入阻抗通常大于10kΩ，因此只需要采用1µF甚者更小的电容就可以确保整个音频带宽。
   
   
3. 低电压工作
   DirectDrive技术允许耳机放大器直接采用系统中主要数字IC所使用的电源供电。由于工作在比电池电压更低的电源下，从而提高了耳机放大器的效率。过去常采用3.3V甚至2.5V的电源，现在1.8V的电源正逐步取代上述电源。对于传统的耳机放大器，在1.8V电源下理论上只能输出10mW输出功率(32Ω负载)。然而，对于DirectDrive放大器，由于电源电压翻倍，因而在同样的供电电压下可输出高达40mW的功率。因此使工作在现代系统中放大器在保证效率的基础上，同时仍产生足够的声强。
   
   
4. 2VRMS线路输出放大器
   DirectDrive技术用于需要2VRMS音频输出的系统中，可以实现电源倍压，这是其另一个优点。这类系统通常具有5V电源。但是采用5V供电的标准放大器通常无法输出2VRMS；因此为了提供2VRMS的输出，需要采用更高电源。采用DirectDrive技术，由于已经在片上将电源倍压，因此在5V供电的条件下就有可能提供超过2VRMS的输出。
   
   
5. 减小失真
   最后，传统的耳机放大器中使用的输出电容会使低频音频信号产生明显的失真。在低频拐点附近，电容的电压系数将变为非线性，并同时会引起音频信号的失真。在某些场合下，失真最高可达1%，能够被听到并且测量到(图6)。DirectDrive免去了耦合电容，从而消除了失真源。
   
   
   图6. 输出耦合电容引起的失真

结论

DirectDrive耳机放大器相比传统的单电源耳机放大器有很多改进。该技术减小了方案的尺寸，节省了成本，并且改善了音质，而其代价仅仅是稍稍增大了芯片的尺寸。

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