概述

    现今市面上的耳机放大器可谓种类繁多，但在选购指南却很少见到。本文将综合讨论市面上主要类型放大器的优缺点，并结合实际应用为放大器选型提出一些合理建议。

    耳机放大器输出概览

    在扩音技术发展的早期，耳机已被用来边走边听音乐。经过多年的发展，耳机已基本形成了一个相对通用的配置规格。现今差不多所有的耳机都采用一种名为TRS(尖环套管)连接器的3.5毫米(标称为1/8英寸)三端子连接器。有一少部份的耳机采用比较大的1/4英寸(标称为6.3毫米)格式的TRS连接器。图1所示为一个TRS连接器，这款连接器的最大特点是可共享性，意即它几乎可以连接到市面上任何一个音频或多媒体电子设备上。

图1 尖环套管连接器

    可是，随着耳机应用的日渐普遍，这种共享性也逐渐暴露出了它缺陷：两个扬声器要共享一个连接(或接地)。现今大部份的便携消费电子设备都使用一个正电源来供电。而音频的交流本质会迫使电子设备在电源的单极性与双极性之间出现某程度的电平移位。

    电容耦合放大器输出

    使用单一正电源的耳机放大器很容易就可以通过耦合电容器来驱动一个有接地参考的耳机。如图2所示，图中的双通道放大器在中间电源被偏置，并且通过一对耦合电容器来驱动立体声耳机。

图2 电容耦合耳机放大器

为这些电容器选择适当的电容值相对简单，可用以下的数式计算出来：

    其中CMIN是最小的可用电容值，fC是所要求的低截止频率，ZL是耳机的阻抗。举例来说，假如所要求的截止频率为100Hz，负载阻抗是16W，那所需的电容值便应为100mF。可是在实际的情况中，一般都会选用比标准所需更大的电容值从而确保有足够的低音响应，并可将接近截止频率的失真推至更低。

    由于经输出电容器会造成电平移位极性，因此通常都会选用一个极化电容器。即使极化电容器具有很高的C-V密度，它们仍然是放大器系统中最大的对象，其体积比起连接器本身更大。

    虽然标准的运算放大器也可用作电容器耦合耳机放大器，但当它在上电和下电时一般都会发出很嘈杂的“卡嗒”或“啪啪”声。针对此类应用的放大器例如LM48100，具有一个可控的上电和下电程序，能够有效地消除这种开关噪声。

    电容耦合放大器无疑是最便宜的耳机放大器IC。虽然由放大器省回来的成本会某程度地被耦合电容器抵销，但只要HUL空间不是首要考虑的问题，那设计人员一般都会选用电容器耦合耳机放大器。

    OCL(无输出电容器)放大器

    驱动接地参考耳机的方法之一便是用第三个放大器来驱动套管(接地)端。如图3所示。图中的第三个放大器在中间电源被偏置，它将套管驱动到一个固定的直流电压。从而AC音频信号在这个中间电源电压的附近被偏置。

图3 无输出电容器耳机放大器

    OCL放大器的主要优点是其低音响应可以扩展到直流电源电压。这功能对于大部份系统来说都难以达到。因为电路的其它部份仍可能设有耦合电容器，这些耦合电容器要在很高的阻抗下工作，例如20kΩ。因此要求这些电容器的尺寸和成本要是最低的。

    OCL耳机放大器可算是最小的系统。与电容器耦合耳机放大器比较，OCL耳机放大器的成本和功耗相对较大。由于OCL耳机放大器拥有最佳的低音响应，因此对于那些尺寸要求比较苛刻或工作电压最小为2.5V的系统来说，OCL耳机放大器仍是不二之选。

    如果管套在接地以上被偏置，有些系统会出现故障。故障通常发生是因为耳机的插口连接着其它的设备而不是耳机。假如有两个系统经一个地线参考(非隔离)接地共享一个接地，那便可能有过大的电流流经套管连接。

接地参考放大器输出

    修正OCL耳机放大器的非接地套管问题的一个方法是使用接地参考耳机放大器。图4所示为一个接地参考耳机放大器。当中放大器电路上的电荷泵会产生出一个负电压，改电压值与正电源相等，但极性恰好相反。该接地参考耳机放大器会在正电源与负电源之间运作，从而使输出产生出一个交流音频信号。

图4 接地参考耳机放大器

    与OCL耳机放大器相比，采用接地参考耳机放大器通常都会使电路的成本增加，而且功耗大约是OCL的两倍。然而，接地参考耳机放大器同样拥有极优的低音响应。由于接地参考耳机放大器能够有效地将电源增大一倍，因此即使电压低至1.4V，仍能产生出足够的输出功率。接地参考耳机放大器通常用于对空间要求苛刻的系统中，而且该系统的耳机插口可能需要连接到其它的设备。

    接地参考耳机放大器的最大缺点是功耗较大。电路中的电荷泵会从正电源提取电流，而由于电荷泵的效率损耗，所提取的电流一般会比放大器的偏置电流稍微大一点。此外，电荷泵的另一个问题是它属于自激性的振荡器，可能会对邻近的电路产生一些影响。电荷泵的频率即使听不到，也可以在负电源摇摆时的音频信号中看出来。

    高性能耳机放大器

    高性能耳机放大器可以提供优质的音频感受。图5为一个高性能耳机放大器。在这个图例中，系统采用了双电源，典型值是±5V到±15V，而且两个电源均有稳压处理。电路中的高性能运算放大器在共享环路内驱动一个高电流缓冲器，并在合成放大器电路周围反馈。

图5 高性能耳机放大器

    高性能耳机放大器的最大优点是可将系统的两个主要部份分隔开。输入放大器订立系统的整体音质。在图例中，THD+N为0.00003%的LM4562便提供了稳健的音效基础，而真正用来驱动低阻抗耳机的是LME49600高电流缓冲器。上述方法可有效地消除来自精密控制电路的负载电流所引致的热梯度，就如一位优雅的芭蕾舞演员去控制一个肌肉发达的橄榄球后卫一样。

高性能耳机放大器最好配合高质的音频信源使用。因为这些放大器首要考虑的是高保真度，其次才是成本、尺寸和功耗等问题。

    最理想的音频还原系统是用一个高性能、高采样率(即24位和192kHz)的音频信源来驱动一个动态范围在120dB以上的数/模转换器，而模/数转换器的输出可用来直接驱动高性能耳机放大器的输入，并且不需要在模拟领域做任何的信号调理。所有的音量控制均在微控制器的指令下由模/数转换器以数字形式来控制。

    不同耳机放大器的优劣比较

    为您的应用选择合适的耳机放大器其实是颇为简单的一件事。图6中的数据表示出系统普遍需要优化的参数，并提供了针对不同拓扑性能比较。

表1 比较不同耳机放大器拓扑的参数

    采用单枚1.2V/1.5V电池的数字音频播放器

    数字音频播放器(DAP)需要良好的音质，体积小巧。当DAP采用单枚电池时，无论是最基本的碱性电池抑或是镍金属混合可充电电池，都难以从中获得足够的输出功率。配备有电源倍增电荷泵的接地参考放大器便是解决这个问题的最佳方案。该放大器不但尺寸小巧，而且还有良好的低音响应。

    采用锂正离子电池的数字音频播放器

    采用锂正离子(Li+或锂聚合物电池等)来运行的数字音频播放器由于可获得较大的电源电压，因此可使用一个OCL耳机放大器。大部份的数字音频放大器事实上在连接到计算机时都会把其仿真耳机输出关闭，以解决套管的偏置电压问题。此外，OCL放大器的优点还包括相对较小的体积和比接地参考耳机放大器更低的成本。

    带有立体声头戴耳机的手机

    手机市场现正划分为OCL与接地参考耳机放大器两个部份。这些采用锂正离子来供电的手机，电压根本不成问题。问题在于有些手机具备有多个功能端口。当手机用作视频输入时，端口必须可承受一个负同步脉冲。在容忍负脉冲方面，接地参考耳机放大器可谓驾轻就熟。

手机或DAP功能扩展底座

    现今不少的功能扩展底座在内部都设有足够的空间，因此电容器耦合耳机放大器的电容器尺寸便不再是一个问题。毫无疑问，这种拓扑对于较低档次的功能扩展底座来说是不错的选择。但对于比较高档次的产品而言，采用OCL或接地参考放大器可以获得更佳的低音响应。事实上，高档次的功能扩展底座市场正是高性能耳机放大器的目标市场之一。

    高性能个人耳机放大器

    个人耳机放大器市场所采纳的电路拓扑可谓种类繁多，但大部份都与图5的方案类似。这些拓扑变化繁多，从真空管到单一晶体管放大器都有拥护者。

    结语

    使用不同的放大器都可以轻易地克服一般耳机上TRS共享接地端子的限制。每一种方法均有其优点。只要选择得宜，设计人员可获取最优的设计。

我司的耳机放大器IC资料请查阅：http://www.szczkjgs.com/product_1040.htm