手机中耳机驱动的设计考虑和解决方案 (4)

RS决定耳机驱动器的输出阻抗或阻尼系数。高阻尼系数(RL/RS)可改善源(耳机驱动器)对负载(耳机)的控制。耳机阻抗不是纯电阻,会随频率而改变。由于阻抗随频率而变化,较高的RS可能引起较大的失真(尤其是低频失真)。从性能角度看,应使RS为较低的值。一般而言,阻尼系数应高于1。

从安全角度看,较高RS可衰减功率以防止耳机受损,另外在输出短接至地时还能保护放大器。热插拔耳机时可能发生这种情况。图7显示了一个4层评估板的ADA4807-2 (LFCSP)最大功耗与环境温度的关系。

手机中耳机驱动的设计考虑和解决方案

图7.ADA4807-2最大功耗与环境温度的关系(4层评估板)

环境温度为85°C时,功耗(PD)为1.274 W。假设电源为±5 V,则最大输出电压为2 V rms。RS = 10 Ω,并且RS短接至地。每通道PD (ADA4807-2)为:

PD = 610 mW

考虑到ADA4807-2为双通道器件,故总PD为1.22 W。本例中的输出电流为200 mA,ADA4807-2短路电流为80 mA,因此RS可以更小以提高阻尼系数。对于短路电流大于200 mA的运算放大器,RS必须至少为10 Ω,以免运算放大器在输出短接至地的状态下受损。

输出级(二阶低通滤波器)

与一阶低通滤波器相比,二阶低通滤波器具有更陡的滚降响应,可移除指定频段中的更多噪声。

利用单端输入多路反馈低通滤波器的设计公式,很容易设计带差分输入的双极点低通滤波器。如图8所示,复制器件得到等效频率响应。通常,该滤波器提供贝塞尔响应,具有线性相位。

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图8.二阶多路反馈(MFB)滤波器

用于输出级的推荐运算放大器

输出级运算放大器的关键性能指标与I转V级相似。在32 Ω负载时,输出级运算放大器的THD+N典型值必须小于-100 dB。手机耳机驱动器的输出级推荐采用的运算放大器有ADA4841-2、ADA4807-2和AD8397。有四点需要考虑:

• 所有这些运算放大器都是低噪声、低功耗、小封装器件。

• ADA4807-2实现了低噪声和RRIO,其IQ最低。它还集成了电源关断功能,可进一步降低功耗。

• 在16 Ω负载时,AD8397的THD+N典型值小于-100 dB。其在主观测试中表现也很好。缺点是AD8397的IQ较高,约为12 mA。

• <−100 dB THD + N at 32 Ω load is a key specification. See Figure 9 and Figure 10 for the test circuit and test result, respectively.

• 16 Ω负载时THD+N小于-100 dB是关键性能指标。图9和图10分别是测试电路和测试结果。

相关规格参见ADA4841-2、ADA4807-2和AD8397数据手册。

THD+N与VOUT/IOUT测量

图9所示为用于测量大负载下THD+N的电路。下面详细说明THD+N与VOUT/IOUT测量:

• 电源为±3.3 V。减法器的增益约为0.243。

• SYS-2712产生1 kHz正弦波作为放大器电路的输入。放大器电路的输出馈入SYS-2712模拟分析仪以确定THD+N。

• SYS-2712分析仪的带宽配置为22 kHz。

• 为了测量THD+N与VOUT/IOUT的关系,SYS-2712配置为输出100 mV rms到4 V rms信号。

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图9.16 Ω负载时的THD+N测试

THD+N与VOUT/IOUT结果

图10和图11所示为推荐运算放大器的THD+N与VOUT/IOUT测量结果。

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图10.THD+N与VOUT的关系,(ADA4841-2、ADA4807-2和AD8397)

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图11.THD+N与IOUT的关系,(ADA4841-2、ADA4807-2和AD8397)

表2详细列出了最大电流和最大输出功率,参数设置为<-100 dB THD+N和16 Ω负载。图11显示了如下结果:

• 当IOUT达到某一电流阈值时,THD+N性能急剧降低。

• AD8397在16 Ω负载时具有高电流驱动能力。

• ADA4807-2最大输出电流为42 mA,IQ仅为1.2 mA,推荐用于对功耗有预算的应用。

多数情况下,2 mW输出功率足以驱动耳机。此时,THD+N很重要;如表2所示,2 mW时所有推荐运算放大器的THD+N都小于-100 dB。

表2.16 Ω负载时的最大电流和输出功率

参数

 

ADA4841-2

 

ADA4807-2

 

AD8397

 

THD+N <-100 dB时的最大电流

 

29.1 mA

 

42.1 mA

 

125 mA

 

THD+N <-100 dB时的输出功率

 

13.6 mW

 

28.4 mW

 

250 mW

 

2 mW输出功率时的THD+N

 

-102.7 dB

 

-102.7 dB

 

-101.4 dB

 

设计指南

1 kΩ电阻产生的噪声为4 nV/√Hz,比多数运算放大器的电压噪声还大。电路中的电阻值必须精心选择,不得超过1 kΩ。

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