消费应用立体声耳机放大器设计挑战暨“真实接地”方案

文章摘要：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出更适合的方案。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。图1：不同立体声音频放大器输出段设计电路图。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

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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出更适合的方案。

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。
图1：不同立体声音频放大器输出段设计电路图。

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。

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图3：NCP2811A(外部可调节增益)无电容立体声耳机变压器功能框图。

NCP2811在采用5 V电源电压工作时，为16 Ω的耳机负载提供100 mW功率，背景噪声仅为7 µVrms 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。这器件还抑制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。

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20 Hz。

而在电荷泵电容方面，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1 µF(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1 µF电容值。

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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10 Ω电阻，从而将电容性负载效应降至最低。
图4：设计中需要电容性ESD保护时，建议在NCP2811输出与ESD保护间串联电阻。

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