關鍵字：    

投放市場的一些新型產品正迅速地改變音視頻產品的市場格局，因為它們都具有許多單電源器件和一個可生成負電源軌的內置充電泵。

作者：Dafydd Roche，德州儀器 (TI)

廣播市場的從業人員是提出接口標準的第一人。將多個產品連接在一起以創建出一種最終產品的方法，需要有一種標準來確保前一個產品的輸出不會對下一個產品產生過載，并可以輕松地將理想增益或衰減量添加到信號之中。

傳統的一些接口標準限定值為 +4 dBV 和 -10 dBV（即無計算器或沒有計算需要情況下的 1.23 Vrms 和 0.316 Vrms）。多年來，這就是給消費類電子及專業設備帶來差異化的標準。在任何一臺 20 世紀 90 年代初期的獨立 CD 播放器上，您都可以很容易地找到我說的這種標準。

20 世紀 80 年代末和90 年代初期，人們已經對連接到其電視機的一些設備有所挑剔。僅僅只是通過同軸天線接頭連接 VHS 設備的日子已漸漸遠去。隨著更高質量音頻源（NICAM 立體聲、激光盤等等）的出現，音頻開始通過立體聲 RCA 插孔傳輸—正如您的 Hi-Fi 一樣。

SCART 標準

與此同時，SCART 連接器也開始在歐洲流行（請參見圖 1）。SCART 給廣大廠商帶來了一種全新的標準應用環境。不僅連接器是全新的，人們娛樂的水平也得到了極大提升。

圖 1- SCART 連接器

無論使用何種互聯，您傳輸的信號越高，您在接收機中獲得的動態范圍也就越大，因為接收機一般都具有一個固定的噪聲量。伴隨著這種新型連接器，出現了一些電壓擺幅標準以及接收機應向驅動器施加的預期阻抗的標準。SCART 標準最終發展成為 2 Vrms (5.6 Vpp)，并具有 10 kΩ 的輸入阻抗。

生成接地偏置 5.6-Vpp 信號比我們一開始想象的要難得多。想一想我們在家庭娛樂環境中都連接了哪些產品：DVD 播放器、機頂盒、游戲機、AV 接收器等等。一個典型的 5-V DAC 的輸出約為 4 Vpp，偏置約為 2.5 V。較低工作電壓 DAC 甚至可以具有低電壓偏置的低信號擺幅。輸出這種信號要求具有一定水平的增益和緩沖。

這就恰好能夠讓我們輸出一些拓撲，將 DAC 輸出帶到現實世界。實現這一目標的方法主要有三種：

• 采用具有一個分裂軌 (split rail) 電源的雙極電源運算放大器 (op amp)；
• 采用具有一個 VDD/2 DC 偏移和一個輸出 DC 阻擋電容器的單電源運算放大器；
• 采用具有一個可生成負電源軌內置充電泵的單電源運算放大器，以提供足夠的擺幅和接地偏置輸出。

上述的每一種拓撲都有其各自的優點和缺點。

解決方案 1：固定輸入雙極電源運算放大器。

圖 2-簡化的雙電源運算放大器輸出電路

許多系統均以反相或非反相格式使用標準運算放大器，將 DAC 或 SoC 的不穩定輸出帶到外部世界。到目前為止，這是獲得近 GND 偏置、5.6-Vpp 擺幅輸出最為簡單的方法。

圖 3-雙電源輸出級的理想接地偏置輸出

利用這種方法，設計人員可以精確地將聲音調節至需要的水平，選出其想要的最佳運算放大器，甚至可以在輸出路徑中插入一定的濾波。

但是，許多消費類音頻系統不能在 +5 V 以上的電壓電源上運行，這樣擁有一個負電源軌的希望便附加到 COB 上。市售的一些系統可以產生音頻線路電平放大器的電源軌，但一般要額外使用兩個低壓降穩壓器 (LDO)，以及構建該器件所需的一些無源器件。

結論：

• 優點：如果您的系統可以承受高成本，使用它還是相當不錯的。
• 優點：如果您的系統可以承受高成本，使用它還是相當不錯的。

解決方案 2：具有 VDD/2 DC 偏置及 DC 阻擋電容器的單電源運算放大器

圖 4-單電源線路驅動器運算放大器

還有一種倍受人們青睞的老方法。過去，用于許多系統的低成本方法是在一個 8V+ 高壓軌運行一個單電源運算放大器。但許多系統并不樂于接收一種帶 DC 偏置的信號——設計人員通常會添加一些 DC 阻擋電容器來確保其產品只有 AC 信號。

圖 5-傳統單電源運算放大器的輸出

在此類系統中，電容器用 DC 充電，同時接收機完成一個低電位路徑。在正常運行期間，不會出現太大問題。但是，一旦放大器改變狀態（即開啟、關閉或轉至低功耗模式），DC 將會放電，從而引起一些咔嗒和噼噗聲。

另外，當您直接將一個電容器插入音頻鏈時，進行過模擬濾波器設計的人都了解這樣做的結果。電容器阻抗的特性是低頻率下其表現為對信號的較高電阻。換句話說，它們并不僅僅阻擋 DC。DC 阻擋電容器將一個高通濾波效應引入到了您的系統輸出。消除濾波器 3-dB 點的方法有很多，其中之一便是使用一個具有較大值的電容器。通過下列方程式可以計算得到 RC 濾波器的 3-dB 濾波點：

f3db = 1 / 2πRlCo

其中，Rl 為音頻鏈中下一個器件的負載，Co 為輸出電容。大值電容器一般成本更高，且會占用更多的 PCB 空間。

結論：

• 優點：低成本。
• 缺點：可能需要專用 VCC，可能會出現一些咔嗒和噼噗聲，并且低音響應較差。

解決方案 3：具有生成負電源軌內置充電泵的單電源器件

圖 6-TI DRV60x 系列，其集成了一個雙極運算放大器和充電泵

其為用于生成更高壓信號擺幅輸出以及維持接地偏置輸出的最新方法之一。

TI 的直接路徑 (DirectPath) 專利技術將一個充電泵集成于器件中，從而創建了一個內部負電源。這使得器件的放大器可以在一種雙極（雙電源）模式下運行，從而獲得一個接地偏置輸出的電位 6-V+ 擺幅。

圖 7-直接路徑技術利用輕松集成的單電源提供了雙極性能

這種技術集兩者之大成。雙極電源所具有的接地偏置輸出性能和優點提供了無噪聲性能，并可直接連接至音頻鏈中下一個器件—無需 DC 阻擋電容器。而且低音響應更加自然。另外，運行在 +3.3-V 電源中意味著，該器件可以運行于典型的系統電壓上（常見于數字處理器等）。現在，不再需要專用更高的電壓軌，或者說一般不再需要在您的系統至輸出放大器中布置更多的電源線跡。

對于大多數家庭音頻系統來說，107 dB 的音頻性能超出了其系統的任何 DAC。需要指出的是，一些系統可能會需要轉到傳統的雙電源輸出驅動器設計。典型系統大多會被視為“專業”AV 接收機，其轉換器均運行在 110-dB+ 范圍內。大部分運算放大器也都適用于這些應用。

結論：

• 優點：集兩者之大成—無噪聲、清晰的低音響應、易于布局，是 95% 家庭音頻市場的理想器件。
• 缺點：107-dB 左右動態范圍的性能極限—在機頂盒、便攜式 DVD 播放器和游戲機市場通常不存在該問題。

如果一些設計人員正在做的工作是如何驅動輸出線路驅動器，那么他們最終會問自己系統中為什么需要較高的電壓軌。投放市場的一些新型產品均具有許多單電源器件和一個生成負電源軌的內置充電泵（例如使用直接路徑技術），這些產品正迅速地改變著音視頻產品市場的格局。

參考文獻：

1. TI 音頻解決方案
http://focus.ti.com.cn/cn/apps/docs/appcategory.tsp?appId=1

2. TI 放大器和數據轉換器手冊
http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ml/slyb115c/slyb115c.pdf

3. TI 音頻解決方案手冊
http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ml/slyy013c/slyy013c.pdf

4. TI 接口解決方案手冊
http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ml/sszt009d/sszt009d.pdf

5. 數字音頻 D/A 轉換器的動態性能測試應用手冊
http://focus.ti.com/lit/an/sbaa055/sbaa055.pdf

作者簡介：

Dafydd Roche 現任 TI 高性能模擬產品部家庭娛樂和專業音頻產品市場營銷經理。Dafydd 畢業于約克大學 (University of York (UK))，他將其精力和音頻及音樂制作方面的知識都傾注到了其工作中，從而盡其全力幫助音頻設計工程師設計出最終用戶迫切需要的產品。即使在客戶拜訪、內部會議以及商業展覽等緊張忙碌生活的閑暇里，Dafydd 依然抽出時間與達拉斯地區同道的音樂人共同制作和錄制音樂。