手机中耳机驱动的设计考虑和解决方案

高保真用于描述音响设备的性能。高保真音响设备具有理想的总谐波失真加噪声(THD+N)性能和精确的频率响应,使得设备具有非常出色的主观测试结果。

便携式高保真音响设备给客户带来更高质量的音乐聆听体验。但与手机相比,便携式高保真音响设备比较大,很不方便。由于市场需求增加和技术进步,现在已经可以将高保真功能集成到纤薄的手机中。

通常,音频数模转换器(DAC)无法很好地驱动低阻抗耳机。为达到很好的性能,运算放大器用在音频DAC后面进行信号调理,包括电流到电压(I到V)转换、滤波、衰减和差分到单端转换。运算放大器必须具有低噪声、低失真和强驱动能力。运算放大器还必须在客户的主观测试中表现良好。ADI公司的许多运算放大器在音乐爱好者中享有盛名,比如AD797、OP275、AD8620和ADA4627-1。在便携手机应用中,器件的静态电流和封装也很重要。ADA4841-2、ADA4896-2、ADA4075-2、ADA4807-2和AD8397具有理想的噪声和失真性能,同时拥有较小的封装,很适合这类应用。本应用笔记重点讨论高保真耳机驱动应用的电路并争对不同系统设计要求推荐合适的运算放大器。

信号链

此类应用采用高性能、低功耗音频DAC可实现高达127 dB的动态范围(DNR)和-120 dB的THD+N。某些高性能音频DAC可配置为电压输出或电流输出。配置电流输出可提供更好的DNR和THD+N。

对于电压输出配置,调理电路是一个差动放大器电路,其将左声道或右声道的差分信号转换为单端信息(参见图1)。

手机中耳机驱动的设计考虑和解决方案

图1.电压输出配置

对于电流输出配置,需要一个I转V电路来将左声道和右声道的差分电流信号转换为差分电压信号,后接一个差动放大器电路(参见图2)。

在手机应用中,器件的功耗至关重要。在本应用笔记中,为分析方便,选择±5 V电源作为例子。

手机中耳机驱动的设计考虑和解决方案

图2.电流输出配置


目录

简介

 

1

 

信号链

 

1

 

修订历史

 

2

 

I转V级

 

3

 

用于手机中I转V级的推荐运算放大器

 

3

 

THD+N与VOUT测量

 

4

 

THD+N与VOUT结果

 

4

 

耳机基础

 

4

 

输出级(一阶低通滤波器)

 

6

 

输出级(二阶低通滤波器)

 

6

 

用于输出级的推荐运算放大器

 

6

 

THD+N与VOUT/IOUT测量

 

7

 

THD+N与VOUT/IOUT结果

 

7

 

总结

 

8

 

修订历史

2016年10月—修订版0:初始版

I转V级

电流输出DAC的理想I到V转换器是接地电阻。然而,多数DAC的工作特性与输出电压不是线性关系。标准做法是将运算放大器用作I到V转换器,在反相输入端产生一个虚拟地。通常,运算放大器输出级会吸收时钟能量和电流阶跃。但是,图3显示CF电容一面将高频能量分流到地,一面正确地重现具有超低THD和交调失真(IMD)的理想输出。

手机中耳机驱动的设计考虑和解决方案

图3.I转V级

该电路有四个器件:

• RF为反馈电阻。为使噪声最低,第一级(I转V)的增益应最大化。然而,失真与运算放大器的开环增益(AOL)相关。AOL越高,失真性能越好。通常,AOL在一定输出电压范围内规定(参见图3)。以ADA4896-2为例,当输出为-4 V至4 V(使用±5 V电源)时,AOL最低是100 dB,如果输出提高到-4 V至4 V以外时,AOL会降低,从而导致失真变差。假设DAC的最大输出电流为1 mA,则:

• CF为与RF并联的反馈电容。CF和RF形成传递函数中的一个极点,因此该低通滤波器的截止频率(fC)为:

假设fC为100 kHz,则:

• RS为与CF串联的电阻。为实现更好的稳定性和THD+N性能,RS典型值为100 Ω。

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