概述

    現今市面上的耳機放大器可謂種類繁多，但在選購指南卻很少見到。本文將綜合討論市面上主要類型放大器的優缺點，并結合實際應用為放大器選型提出一些合理建議。

    耳機放大器輸出概覽

    在擴音技術發展的早期，耳機已被用來邊走邊聽音樂。經過多年的發展，耳機已基本形成了一個相對通用的配置規格。現今差不多所有的耳機都采用一種名為TRS(尖環套管)連接器的3.5毫米(標稱為1/8英寸)三端子連接器。有一少部份的耳機采用比較大的1/4英寸(標稱為6.3毫米)格式的TRS連接器。圖1所示為一個TRS連接器，這款連接器的最大特點是可共享性，意即它幾乎可以連接到市面上任何一個音頻或多媒體電子設備上。

圖1 尖環套管連接器

    可是，隨著耳機應用的日漸普遍，這種共享性也逐漸暴露出了它缺陷：兩個揚聲器要共享一個連接(或接地)。現今大部份的便攜消費電子設備都使用一個正電源來供電。而音頻的交流本質會迫使電子設備在電源的單極性與雙極性之間出現某程度的電平移位。

    電容耦合放大器輸出

    使用單一正電源的耳機放大器很容易就可以通過耦合電容器來驅動一個有接地參考的耳機。如圖2所示，圖中的雙通道放大器在中間電源被偏置，并且通過一對耦合電容器來驅動立體聲耳機。

圖2 電容耦合耳機放大器

為這些電容器選擇適當的電容值相對簡單，可用以下的數式計算出來：

    其中CMIN是最小的可用電容值，fC是所要求的低截止頻率，ZL是耳機的阻抗。舉例來說，假如所要求的截止頻率為100Hz，負載阻抗是16W，那所需的電容值便應為100mF。可是在實際的情況中，一般都會選用比標準所需更大的電容值從而確保有足夠的低音響應，并可將接近截止頻率的失真推至更低。

    由于經輸出電容器會造成電平移位極性，因此通常都會選用一個極化電容器。即使極化電容器具有很高的C-V密度，它們仍然是放大器系統中最大的對象，其體積比起連接器本身更大。

    雖然標準的運算放大器也可用作電容器耦合耳機放大器，但當它在上電和下電時一般都會發出很嘈雜的“卡嗒”或“啪啪”聲。針對此類應用的放大器例如LM48100，具有一個可控的上電和下電程序，能夠有效地消除這種開關噪聲。

    電容耦合放大器無疑是最便宜的耳機放大器IC。雖然由放大器省回來的成本會某程度地被耦合電容器抵銷，但只要HUL空間不是首要考慮的問題，那設計人員一般都會選用電容器耦合耳機放大器。

    OCL(無輸出電容器)放大器

    驅動接地參考耳機的方法之一便是用第三個放大器來驅動套管(接地)端。如圖3所示。圖中的第三個放大器在中間電源被偏置，它將套管驅動到一個固定的直流電壓。從而AC音頻信號在這個中間電源電壓的附近被偏置。

圖3 無輸出電容器耳機放大器

    OCL放大器的主要優點是其低音響應可以擴展到直流電源電壓。這功能對于大部份系統來說都難以達到。因為電路的其它部份仍可能設有耦合電容器，這些耦合電容器要在很高的阻抗下工作，例如20kΩ。因此要求這些電容器的尺寸和成本要是最低的。

    OCL耳機放大器可算是最小的系統。與電容器耦合耳機放大器比較，OCL耳機放大器的成本和功耗相對較大。由于OCL耳機放大器擁有最佳的低音響應，因此對于那些尺寸要求比較苛刻或工作電壓最小為2.5V的系統來說，OCL耳機放大器仍是不二之選。

    如果管套在接地以上被偏置，有些系統會出現故障。故障通常發生是因為耳機的插口連接著其它的設備而不是耳機。假如有兩個系統經一個地線參考(非隔離)接地共享一個接地，那便可能有過大的電流流經套管連接。

接地參考放大器輸出

    修正OCL耳機放大器的非接地套管問題的一個方法是使用接地參考耳機放大器。圖4所示為一個接地參考耳機放大器。當中放大器電路上的電荷泵會產生出一個負電壓，改電壓值與正電源相等，但極性恰好相反。該接地參考耳機放大器會在正電源與負電源之間運作，從而使輸出產生出一個交流音頻信號。

圖4 接地參考耳機放大器

    與OCL耳機放大器相比，采用接地參考耳機放大器通常都會使電路的成本增加，而且功耗大約是OCL的兩倍。然而，接地參考耳機放大器同樣擁有極優的低音響應。由于接地參考耳機放大器能夠有效地將電源增大一倍，因此即使電壓低至1.4V，仍能產生出足夠的輸出功率。接地參考耳機放大器通常用于對空間要求苛刻的系統中，而且該系統的耳機插口可能需要連接到其它的設備。

    接地參考耳機放大器的最大缺點是功耗較大。電路中的電荷泵會從正電源提取電流，而由于電荷泵的效率損耗，所提取的電流一般會比放大器的偏置電流稍微大一點。此外，電荷泵的另一個問題是它屬于自激性的振蕩器，可能會對鄰近的電路產生一些影響。電荷泵的頻率即使聽不到，也可以在負電源搖擺時的音頻信號中看出來。

    高性能耳機放大器

    高性能耳機放大器可以提供優質的音頻感受。圖5為一個高性能耳機放大器。在這個圖例中，系統采用了雙電源，典型值是±5V到±15V，而且兩個電源均有穩壓處理。電路中的高性能運算放大器在共享環路內驅動一個高電流緩沖器，并在合成放大器電路周圍反饋。

圖5 高性能耳機放大器

    高性能耳機放大器的最大優點是可將系統的兩個主要部份分隔開。輸入放大器訂立系統的整體音質。在圖例中，THD+N為0.00003%的LM4562便提供了穩健的音效基礎，而真正用來驅動低阻抗耳機的是LME49600高電流緩沖器。上述方法可有效地消除來自精密控制電路的負載電流所引致的熱梯度，就如一位優雅的芭蕾舞演員去控制一個肌肉發達的橄欖球后衛一樣。

高性能耳機放大器最好配合高質的音頻信源使用。因為這些放大器首要考慮的是高保真度，其次才是成本、尺寸和功耗等問題。

    最理想的音頻還原系統是用一個高性能、高采樣率(即24位和192kHz)的音頻信源來驅動一個動態范圍在120dB以上的數/模轉換器，而模/數轉換器的輸出可用來直接驅動高性能耳機放大器的輸入，并且不需要在模擬領域做任何的信號調理。所有的音量控制均在微控制器的指令下由模/數轉換器以數字形式來控制。

    不同耳機放大器的優劣比較

    為您的應用選擇合適的耳機放大器其實是頗為簡單的一件事。圖6中的數據表示出系統普遍需要優化的參數，并提供了針對不同拓撲性能比較。

表1 比較不同耳機放大器拓撲的參數

    采用單枚1.2V/1.5V電池的數字音頻播放器

    數字音頻播放器(DAP)需要良好的音質，體積小巧。當DAP采用單枚電池時，無論是最基本的堿性電池抑或是鎳金屬混合可充電電池，都難以從中獲得足夠的輸出功率。配備有電源倍增電荷泵的接地參考放大器便是解決這個問題的最佳方案。該放大器不但尺寸小巧，而且還有良好的低音響應。

    采用鋰正離子電池的數字音頻播放器

    采用鋰正離子(Li+或鋰聚合物電池等)來運行的數字音頻播放器由于可獲得較大的電源電壓，因此可使用一個OCL耳機放大器。大部份的數字音頻放大器事實上在連接到計算機時都會把其仿真耳機輸出關閉，以解決套管的偏置電壓問題。此外，OCL放大器的優點還包括相對較小的體積和比接地參考耳機放大器更低的成本。

    帶有立體聲頭戴耳機的手機

    手機市場現正劃分為OCL與接地參考耳機放大器兩個部份。這些采用鋰正離子來供電的手機，電壓根本不成問題。問題在于有些手機具備有多個功能端口。當手機用作視頻輸入時，端口必須可承受一個負同步脈沖。在容忍負脈沖方面，接地參考耳機放大器可謂駕輕就熟。

手機或DAP功能擴展底座

    現今不少的功能擴展底座在內部都設有足夠的空間，因此電容器耦合耳機放大器的電容器尺寸便不再是一個問題。毫無疑問，這種拓撲對于較低檔次的功能擴展底座來說是不錯的選擇。但對于比較高檔次的產品而言，采用OCL或接地參考放大器可以獲得更佳的低音響應。事實上，高檔次的功能擴展底座市場正是高性能耳機放大器的目標市場之一。

    高性能個人耳機放大器

    個人耳機放大器市場所采納的電路拓撲可謂種類繁多，但大部份都與圖5的方案類似。這些拓撲變化繁多，從真空管到單一晶體管放大器都有擁護者。

    結語

    使用不同的放大器都可以輕易地克服一般耳機上TRS共享接地端子的限制。每一種方法均有其優點。只要選擇得宜，設計人員可獲取最優的設計。

我司的耳機放大器IC資料請查閱：http://www.lbxn.com.cn/product_1040.htm