消費應用立體聲耳機放大器設計挑戰暨“真實接地”方案
為了滿足消費者對耳機音頻質量更高的要求，手機、GPS和MP3播放器等便攜消費類設備需要高質量的立體聲耳機放大器。而設計人員在設計立體聲耳機放大器輸出段時，需要從橋接負載、電容耦合、虛擬接地及真實接地等不同選擇中選出更適合的方案。
這些不同的輸出段設計選擇各有其優缺點，如橋接負載的動態范圍較大，支持單電源工作，但不兼容立體聲耳機；電容耦合兼容立體聲耳機，同時支持單電源工作，卻存在需要大電容及高通濾波等問題；虛擬接地也支持單電源，無需耦合電容，但若有麥克風，就不兼容立體聲耳機。
圖1：不同立體聲音頻放大器輸出段設計電路圖
相比較而言，真實接地輸出設計體現出更多的應用優勢，如支持立體聲耳機，無需大解耦電容，從而節省電路板空間及避免大電容可能較貴的成本，改善低頻響應性能，并提高電源抑制比(PSSR)。此外，包括音頻和直流偏置在內的所有信號的參考電平相同，將串擾減至最小，并支持帶4點插孔(4 points jack)的標準附件。特別是采用這種設計的放大器更易于實現靜電放電(ESD)/電磁干擾(EMI)保護。當然，采用真實接地也會付出占位面積方面的代價，這種立體聲放大器會比常規立體聲放大器尺寸大50%。但綜合來看，真實接地立體聲耳機放大器為客戶提供更多的應用優勢，成為客戶理所當然的選擇。
“真實接地”輸出段設計的挑戰及解決方案
不過，對設計人員而言，立體聲耳機音頻放大器輸出段真實接地設計并不容易。因為與虛擬接地等其它設計支持單電源工作不同，真實接地設計中，放大器需要采用雙電源工作，即同時需要正電源電壓和負電源電壓，而負電源電壓的產生并非易事。
可以考慮兩種方案來產生負電壓。一是利用電感式降壓轉換器，二是利用電荷泵。電感式降壓轉換器采用電感作為儲能及傳遞能量的介質(見圖2a)。這種方案中，MOSFET導通時，電感充電，充電電流方向如紅色線條所示，此時肖特基二極管截止；MOSFET關閉時，肖特基二極管導通，電感放電，放電電流方向如藍色線條所示，同時給電容充電。由于電容正極接地，故給電容的充的電壓為負電壓，即輸出為負電壓。這種產生負電壓的方案效率極高，且能提供大電流，但其問題在于所采用的電感跟在輸出段移除的電容尺寸一樣大、價格一樣貴，即不能體現出減小電路板占用空間和降低成本的優勢。
圖2：兩種負電壓產生方案的電路原理圖
電荷泵式轉換器常用于反壓型直流-直流(DC-DC)轉換，即輸入正電壓，輸出負電壓，電路中采用電容作為儲能及傳遞能量的介質。這種方案中包含4個開關及2個電容(C1和C2)，見圖2b。如圖所示，C1左側的兩個開關導通時，右側的兩個開關關閉，C1充電(見紅色線條)；下一個時序時，C1左側的兩個開關關閉，右側的兩個開關導通，C1放電，并給電容C2充電。由于C2正極接地，故C2上充的電壓是負電壓，即輸出負電壓。如今便攜電子產品中電荷泵電路的開關頻率越來越高，故不需要使用尺寸大、價格貴的大電容。這便是電荷泵方案的一大優勢，其它優勢還包括在產生負電壓時效率極高，這些優勢讓其在產生負電壓方面備受青睞。不過，在實際應用中，還要注意一些問題，如要使用隔離晶體管，防止結二極管導電；且需要其它功能來恰當偏置隔離晶體管，確保結二極管反向偏置。
從電源架構來看，“真實接地”立體聲耳機音頻放大器采用“穩壓器(如電荷泵式轉換器)+放大器”架構(見圖3)，這種架構的電源抑制比(PSSR)比音頻放大器直接連接在電池正極電壓(Vbat)與電池負極電壓(-Vbat)之間的系統高。而對便攜消費類產品而言，音頻放大器必須具有較高的PSSR，從而避免受到電源與布線噪聲的干擾。
圖3：NCP2811A(外部可調節增益)無電容立體聲耳機變壓器功能框圖
NCP2811 A/B無電容真實接地立體聲耳機放大器特性及優勢
安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效硅方案供應商，為便攜消費應用推出一系列的無噪聲音頻放大器，如用于揚聲器的NCP2991/0、NCP2892、NCP2890/NCV2890、NCP4894、NCP2820/20A/30，以及用于立體聲耳機的NCP2809和NCP2811。其中，NCP2809采用虛擬接地設計，而NCP2811是一款無電容(NoCap™)真實接地立體聲耳機放大器。這器件采用“電荷泵+放大器”式電源架構，應用了真實接地設計，內置的電荷泵架構同時提供正電源電壓(VRP)及負電源電壓(VRM)，讓放大器輸出段省下2個外部隔直(DC blocking)大電容，并能夠使用4點連接器，讓麥克風和耳機使用相同接地引腳，高效利用引腳資源。
NCP2811在采用5 V電源電壓工作時，為16 Ω的耳機負載提供100 mW功率，背景噪聲僅為7 µVrms AW，總諧波失真(THD)+噪聲(N)小于0.01%。此外，NCP2811內置爆音(Pop)及嘀噠(Click)噪聲消除電路，讓消費者不會聽到擾人的噪聲；-100 dB的高PSSR，進一步提高噪聲抑制水平；105 dB的信噪比(SNR)更是提升音質，增強消費者音頻體驗質量。這器件還抑制EMI，且在關閉模式消耗極低的電流，幫助延長電池使用時間。
NCP2811采用節省空間的CSP 12引腳封裝，尺寸僅為1.5×2 mm，引腳間距0.5 mm；此外還提供QFN 3×3 mm封裝。NCP2811包含兩個版本：NCP2811A為外部可調節增益版本，而NCP2811B為內部固定增益版本。
NCP2811外部元件選擇
設計人員應用NCP2811真實接地立體聲耳機變壓器時，還涉及到外部元件選擇的問題。如對外部可調節增益的NCP2811A而言，需要設定增益；而其閉環增益由電阻Rf和Rin決定，建議閉環增益設定在1至10的范圍內。
在輸入端的電容選擇方面，輸入電阻Rin + 輸入電容Cin使高通濾波器阻隔低頻，Cin的選擇應使Cin – Rin低通濾波器截止頻率(fc)低于20 Hz。
而在電荷泵電容方面，應當選擇低等效串聯電阻(ESR)的陶瓷電容(建議X7R或X5R)；另外，在負電壓產生期間，飛跨(flying)電容(Cfly)充當能量傳遞作用，而Cpvm(參見圖3)電容至少要等于Cfly，使能量傳遞增至最大。最小的Cfly和Cpvm值是1 µF(0402封裝尺寸)，可以選擇TDK的 C1005X5R0J105K及Murata的GRM155R60J105K19。解耦電容方面，同樣建議選擇X7R或X5R規格的低ESR陶瓷電容，而且建議最低選擇1 µF電容值。
前所述，NCP2811這樣的真實接地設計易于實現ESD保護。對于NCP2811而言，它基本上是高性能的運算放大器，而運算放大器在驅動電容性負載時會變得不穩定。因此，如果設計中需要電容性ESD保護，建議在NCP2811輸出與ESD保護電路之間串聯增加2顆10 Ω電阻，從而將電容性負載效應降至最低。
圖4：設計中需要電容性ESD保護時，建議在NCP2811輸出與ESD保護間串聯電阻
總結：
便攜消費類設備需要高質量的立體聲耳機放大器，滿足消費者對更佳音頻體驗的需求。立體聲耳機放大器輸出段設計有橋接負載、電容耦合、虛擬接地和真實接地等不同選擇，其中真實接地提供眾多的應用優勢，是客戶理所當然的選擇。但真實接地設計中，放大器需要采用雙電源工作，其中的負電壓產生成為難題。有利的是，安森美半導體推出NCP2811無電容(NoCapTM)真實接地立體聲耳機放大器，這器件采用“電荷泵+放大器”的電源架構，電荷泵同時產生正電壓和負電壓，幫助省下輸出端2個隔直大電容，騰出更多板級空間。這器件還提供低噪聲及高信噪比和高電源抑制比，具有優異的噪聲抑制水平，再加上小尺寸的CSP-12封裝，非常適合手機、MP3播放器和GPS等空間受限的消費類設計。■
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