消费应用立体声耳机放大器设计挑战暨“真实接地”方案
2010-12-18 10:36:31
来源：《半导体器件应用》2009年11月刊
1 前言
为了满足消费者对耳机音频质量更高的要求，手机、GPS和MP3播放器等便携消费类设备需要高质量的立体声耳机放大器。而设计人员在设计立体声耳机放大器输出段时，需要从桥接负载、电容耦合、虚拟接地及真实接地等不同选择中选取更适合的方案。
这些不同的输出段设计选择各有其优缺点，如桥接负载的动态范围较大，支持单电源工作，但不兼容立体声耳机；电容耦合兼容立体声耳机，同时支持单电源工作，却存在需要大电容及高通滤波等问题；虚拟接地也支持单电源，无需耦合电容，但若有麦克风，就不兼容立体声耳机。
相比较而言，真实接地输出设计体现出更多的应用优势，如支持立体声耳机，无需大解耦电容，从而节省电路板空间及避免大电容可能较贵的成本，改善低频响应性能，并提高电源抑制比(PSSR)。此外，包括音频和直流偏置在内的所有信号的参考电平相同，将串扰减至最小，并支持带4点插孔(4 points jack)的标准附件。特别是采用这种设计的放大器更易于实现静电放电(ESD)/电磁干扰(EMI)保护。当然，采用真实接地也会付出占位面积方面的代价，这种立体声放大器会比常规立体声放大器尺寸大50%。但综合来看，真实接地立体声耳机放大器为客户提供更多的应用优势，成为客户理所当然的选择。
2 “真实接地”输出段设计的挑战及解决方案
不过，对设计人员而言，立体声耳机音频放大器输出段真实接地设计并不容易。因为与虚拟接地等其它设计支持单电源工作不同，真实接地设计中，放大器需要采用双电源工作，即同时需要正电源电压和负电源电压，而负电源电压的产生并非易事。
可以考虑两种方案来产生负电压。一是利用电感式降压转换器，二是利用电荷泵。电感式降压转换器采用电感作为储能及传递能量的介质（见图2a）。这种方案中，MOSFET导通时，电感充电，充电电流方向如红色线条所示，此时肖特基二极管截止；MOSFET关闭时，肖特基二极管导通，电感放电，放电电流方向如蓝色线条所示，同时给电容充电。由于电容正极接地，故给电容的充的电压为负电压，即输出为负电压。这种产生负电压的方案效率极高，且能提供大电流，但其问题在于所采用的电感跟在输出段移除的电容尺寸一样大、价格一样贵，即不能体现出减小电路板占用空间和降低成本的优势。
电荷泵式转换器常用于反压型直流-直流(DC-DC)转换，即输入正电压，输出负电压，电路中采用电容作为储能及传递能量的介质。这种方案中包含4个开关及2个电容（C1和C2），见图2b。如图所示，C1左侧的两个开关导通时，右侧的两个开关关闭，C1充电（见红色线条）；下一个时序时，C1左侧的两个开关关闭，右侧的两个开关导通，C1放电，并给电容C2充电。由于C2正极接地，故C2上充的电压是负电压，即输出负电压。如今便携电子产品中电荷泵电路的开关频率越来越高，故不需要使用尺寸大、价格贵的大电容。这便是电荷泵方案的一大优势，其它优势还包括在产生负电压时效率极高，这些优势让其在产生负电压方面备受青睐。不过，在实际应用中，还要注意一些问题，如要使用隔离晶体管，防止结型二极管导电；且需要其它功能来恰当偏置隔离晶体管，确保结型二极管反向偏置。
从电源架构来看，“真实接地”立体声耳机音频放大器采用“稳压器（如电荷泵式转换器）+放大器”架构（见图3），这种架构的电源抑制比(PSSR)比音频放大器直接连接在电池正极电压(Vbat)与电池负极电压(-Vbat)之间的系统高。而对便携消费类产品而言，音频放大器必须具有较高的PSSR，从而避免受到电源与布线噪声的干扰。
3 NCP2811 A/B无电容真实接地立体声耳机放大器特性及优势
安森美半导体为便携消费应用推出一系列的无噪声音频放大器，如用于扬声器的NCP2991/0、NCP2892、NCP2890/NCV2890、NCP4894、NCP2820/20A/30，以及用于立体声耳机的NCP2809和NCP2811。其中，NCP2809采用虚拟接地设计，而NCP2811是一款无电容(NoCapTM)真实接地立体声耳机放大器。该器件采用“电荷泵+放大器”式电源架构，应用了真实接地设计，内置的电荷泵架构同时提供正电源电压(VRP)及负电源电压(VRM)，让放大器输出段省下2个外部隔直(DC blocking)大电容，并能够使用4点连接器，让麦克风和耳机使用相同接地引脚，高效利用引脚资源。
NCP2811在采用5 V电源电压工作时，为16的耳机负载提供100 mW功率，背景噪声仅为7µVrms AW，总谐波失真(THD)+噪声(N)小于0.01%。此外，NCP2811内置爆音(Pop)及嘀哒(Click)噪声消除电路，让消费者不会听到扰人的噪声；-100 dB的高PSSR，进一步提高噪声抑制水平；105 dB的信噪比(SNR)更是提升音质，增强消费者音频体验质量。该器件还抑制EMI，且在关闭模式消耗极低的电流，帮助延长电池使用时间。
NCP2811采用节省空间的CSP 12引脚封装，尺寸仅为1.5×2 mm，引脚间距0.5 mm；此外还提供QFN 3×3 mm封装。NCP2811包含两个版本：NCP2811A为外部可调节增益版本，而NCP2811B为内部固定增益版本。
4 NCP2811外部元件选择
设计人员应用NCP2811真实接地立体声耳机变压器时，还涉及到外部元件选择的问题。如对外部可调节增益的NCP2811A而言，需要设定增益；而其闭环增益由电阻Rf和Rin决定，建议闭环增益设定在1至10的范围内。
在输入端的电容选择方面，输入电阻Rin + 输入电容Cin使高通滤波器阻隔低频，Cin的选择应使Cin-Rin低通滤波器截止频率(fc)低于20Hz。
在电荷泵电容方面，应当选择低等效串联电阻(ESR)的陶瓷电容（建议X7R或X5R）；另外，在负电压产生期间，飞跨(flying)电容(Cfly)充当能量传递作用，而Cpvm（参见图3）电容至少要等于Cfly，使能量传递增至最大。最小的Cfly和Cpvm值是1μF（0402封装尺寸），可以选择TDK的C1005X5R0J105K及Murata的GRM155R60J105K19。解耦电容方面，同样建议选择X7R或X5R规格的低ESR陶瓷电容，而且建议最低选择1μF电容值。
如前所述，NCP2811这样的真实接地设计易于实现ESD保护。对于NCP2811而言，它基本上是高性能的运算放大器，而运算放大器在驱动电容性负载时会变得不稳定。因此，如果设计中需要电容性ESD保护，建议在NCP2811输出与ESD保护电路之间串联增加2颗10Ω电阻，从而将电容性负载效应降至最低。
5 总结
便携消费类设备需要高质量的立体声耳机放大器，满足消费者对更佳音频体验的需求。立体声耳机放大器输出段设计有桥接负载、电容耦合、虚拟接地和真实接地等不同选择，其中真实接地提供众多的应用优势，是客户理所当然的选择。但真实接地设计中，放大器需要采用双电源工作，其中的负电压产生成为难题。有利的是，安森美半导体推出NCP2811无电容(NoCapTM)真实接地立体声耳机放大器，这器件采用“电荷泵+放大器”的电源架构，电荷泵同时产生正电压和负电压，帮助省下输出端2个隔直大电容，腾出更多板级空间。这器件还提供低噪声及高信噪比和高电源抑制比，具有优异的噪声抑制水平，再加上小尺寸的CSP-12封装，非常适合手机、MP3播放器和GPS等空间受限的消费类设计。
为了满足消费者对耳机音频质量更高的要求，手机、GPS和MP3播放器等便携消费类设备需要高质量的立体声耳机放大器。而设计人员在设计立体声耳机放大器输出段时，需要从桥接负载、电容耦合、虚拟接地及真实接地等不同选择中选取更适合的方案。
这些不同的输出段设计选择各有其优缺点，如桥接负载的动态范围较大，支持单电源工作，但不兼容立体声耳机；电容耦合兼容立体声耳机，同时支持单电源工作，却存在需要大电容及高通滤波等问题；虚拟接地也支持单电源，无需耦合电容，但若有麦克风，就不兼容立体声耳机。
相比较而言，真实接地输出设计体现出更多的应用优势，如支持立体声耳机，无需大解耦电容，从而节省电路板空间及避免大电容可能较贵的成本，改善低频响应性能，并提高电源抑制比(PSSR)。此外，包括音频和直流偏置在内的所有信号的参考电平相同，将串扰减至最小，并支持带4点插孔(4 points jack)的标准附件。特别是采用这种设计的放大器更易于实现静电放电(ESD)/电磁干扰(EMI)保护。当然，采用真实接地也会付出占位面积方面的代价，这种立体声放大器会比常规立体声放大器尺寸大50%。但综合来看，真实接地立体声耳机放大器为客户提供更多的应用优势，成为客户理所当然的选择。
2 “真实接地”输出段设计的挑战及解决方案
不过，对设计人员而言，立体声耳机音频放大器输出段真实接地设计并不容易。因为与虚拟接地等其它设计支持单电源工作不同，真实接地设计中，放大器需要采用双电源工作，即同时需要正电源电压和负电源电压，而负电源电压的产生并非易事。
可以考虑两种方案来产生负电压。一是利用电感式降压转换器，二是利用电荷泵。电感式降压转换器采用电感作为储能及传递能量的介质（见图2a）。这种方案中，MOSFET导通时，电感充电，充电电流方向如红色线条所示，此时肖特基二极管截止；MOSFET关闭时，肖特基二极管导通，电感放电，放电电流方向如蓝色线条所示，同时给电容充电。由于电容正极接地，故给电容的充的电压为负电压，即输出为负电压。这种产生负电压的方案效率极高，且能提供大电流，但其问题在于所采用的电感跟在输出段移除的电容尺寸一样大、价格一样贵，即不能体现出减小电路板占用空间和降低成本的优势。
电荷泵式转换器常用于反压型直流-直流(DC-DC)转换，即输入正电压，输出负电压，电路中采用电容作为储能及传递能量的介质。这种方案中包含4个开关及2个电容（C1和C2），见图2b。如图所示，C1左侧的两个开关导通时，右侧的两个开关关闭，C1充电（见红色线条）；下一个时序时，C1左侧的两个开关关闭，右侧的两个开关导通，C1放电，并给电容C2充电。由于C2正极接地，故C2上充的电压是负电压，即输出负电压。如今便携电子产品中电荷泵电路的开关频率越来越高，故不需要使用尺寸大、价格贵的大电容。这便是电荷泵方案的一大优势，其它优势还包括在产生负电压时效率极高，这些优势让其在产生负电压方面备受青睐。不过，在实际应用中，还要注意一些问题，如要使用隔离晶体管，防止结型二极管导电；且需要其它功能来恰当偏置隔离晶体管，确保结型二极管反向偏置。
从电源架构来看，“真实接地”立体声耳机音频放大器采用“稳压器（如电荷泵式转换器）+放大器”架构（见图3），这种架构的电源抑制比(PSSR)比音频放大器直接连接在电池正极电压(Vbat)与电池负极电压(-Vbat)之间的系统高。而对便携消费类产品而言，音频放大器必须具有较高的PSSR，从而避免受到电源与布线噪声的干扰。
3 NCP2811 A/B无电容真实接地立体声耳机放大器特性及优势
安森美半导体为便携消费应用推出一系列的无噪声音频放大器，如用于扬声器的NCP2991/0、NCP2892、NCP2890/NCV2890、NCP4894、NCP2820/20A/30，以及用于立体声耳机的NCP2809和NCP2811。其中，NCP2809采用虚拟接地设计，而NCP2811是一款无电容(NoCapTM)真实接地立体声耳机放大器。该器件采用“电荷泵+放大器”式电源架构，应用了真实接地设计，内置的电荷泵架构同时提供正电源电压(VRP)及负电源电压(VRM)，让放大器输出段省下2个外部隔直(DC blocking)大电容，并能够使用4点连接器，让麦克风和耳机使用相同接地引脚，高效利用引脚资源。
NCP2811在采用5 V电源电压工作时，为16的耳机负载提供100 mW功率，背景噪声仅为7µVrms AW，总谐波失真(THD)+噪声(N)小于0.01%。此外，NCP2811内置爆音(Pop)及嘀哒(Click)噪声消除电路，让消费者不会听到扰人的噪声；-100 dB的高PSSR，进一步提高噪声抑制水平；105 dB的信噪比(SNR)更是提升音质，增强消费者音频体验质量。该器件还抑制EMI，且在关闭模式消耗极低的电流，帮助延长电池使用时间。
NCP2811采用节省空间的CSP 12引脚封装，尺寸仅为1.5×2 mm，引脚间距0.5 mm；此外还提供QFN 3×3 mm封装。NCP2811包含两个版本：NCP2811A为外部可调节增益版本，而NCP2811B为内部固定增益版本。
4 NCP2811外部元件选择
设计人员应用NCP2811真实接地立体声耳机变压器时，还涉及到外部元件选择的问题。如对外部可调节增益的NCP2811A而言，需要设定增益；而其闭环增益由电阻Rf和Rin决定，建议闭环增益设定在1至10的范围内。
在输入端的电容选择方面，输入电阻Rin + 输入电容Cin使高通滤波器阻隔低频，Cin的选择应使Cin-Rin低通滤波器截止频率(fc)低于20Hz。
在电荷泵电容方面，应当选择低等效串联电阻(ESR)的陶瓷电容（建议X7R或X5R）；另外，在负电压产生期间，飞跨(flying)电容(Cfly)充当能量传递作用，而Cpvm（参见图3）电容至少要等于Cfly，使能量传递增至最大。最小的Cfly和Cpvm值是1μF（0402封装尺寸），可以选择TDK的C1005X5R0J105K及Murata的GRM155R60J105K19。解耦电容方面，同样建议选择X7R或X5R规格的低ESR陶瓷电容，而且建议最低选择1μF电容值。
如前所述，NCP2811这样的真实接地设计易于实现ESD保护。对于NCP2811而言，它基本上是高性能的运算放大器，而运算放大器在驱动电容性负载时会变得不稳定。因此，如果设计中需要电容性ESD保护，建议在NCP2811输出与ESD保护电路之间串联增加2颗10Ω电阻，从而将电容性负载效应降至最低。
5 总结
便携消费类设备需要高质量的立体声耳机放大器，满足消费者对更佳音频体验的需求。立体声耳机放大器输出段设计有桥接负载、电容耦合、虚拟接地和真实接地等不同选择，其中真实接地提供众多的应用优势，是客户理所当然的选择。但真实接地设计中，放大器需要采用双电源工作，其中的负电压产生成为难题。有利的是，安森美半导体推出NCP2811无电容(NoCapTM)真实接地立体声耳机放大器，这器件采用“电荷泵+放大器”的电源架构，电荷泵同时产生正电压和负电压，帮助省下输出端2个隔直大电容，腾出更多板级空间。这器件还提供低噪声及高信噪比和高电源抑制比，具有优异的噪声抑制水平，再加上小尺寸的CSP-12封装，非常适合手机、MP3播放器和GPS等空间受限的消费类设计。
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