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：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

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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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“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。
图2：两种负电压产生方案的电路原理图。      

  

NCP2811 A/B无电容真实接地立体声耳机放大器特性及优势
安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，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(NoCap™)真实接地立体声耳机放大器。这器件采用“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。

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