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投放市場的一些新型產(chǎn)品正迅速地改變音視頻產(chǎn)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(nèi)置充電泵。
作者：Dafydd Roche，德州儀器 (TI)
廣播市場的從業(yè)人員是提出接口標準的第一人。將多個產(chǎn)品連接在一起以創(chuàng)建出一種最終產(chǎn)品的方法，需要有一種標準來確保前一個產(chǎn)品的輸出不會對下一個產(chǎn)品產(chǎn)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(tǒng)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(yè)設(shè)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(jīng)對連接到其電視機的一些設(shè)備有所挑剔。僅僅只是通過同軸天線接頭連接 VHS 設(shè)備的日子已漸漸遠去。隨著更高質(zhì)量音頻源（NICAM 立體聲、激光盤等等）的出現(xiàn)，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(yīng)用環(huán)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(lián)，您傳輸?shù)男盘栐礁撸诮邮諜C中獲得的動態(tài)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(xiàn)了一些電壓擺幅標準以及接收機應(yīng)向驅(qū)動器施加的預(yù)期阻抗的標準。SCART 標準最終發(fā)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(huán)境中都連接了哪些產(chǎn)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(xiàn)實世界。實現(xiàn)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(nèi)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(yōu)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(tǒng)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(wěn)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(shè)計人員可以精確地將聲音調(diào)節(jié)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(tǒng)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(tǒng)可以產(chǎn)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(wěn)壓器 (LDO)，以及構(gòu)建該器件所需的一些無源器件。
結(jié)論：
- 優(yōu)點：如果您的系統(tǒng)可以承受高成本，使用它還是相當(dāng)不錯的。
- 優(yōu)點：如果您的系統(tǒng)可以承受高成本，使用它還是相當(dāng)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(qū)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(tǒng)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(tǒng)并不樂于接收一種帶 DC 偏置的信號——設(shè)計人員通常會添加一些 DC 阻擋電容器來確保其產(chǎn)品只有 AC 信號。
圖 5-傳統(tǒng)單電源運算放大器的輸出
在此類系統(tǒng)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(xiàn)太大問題。但是，一旦放大器改變狀態(tài)（即開啟、關(guān)閉或轉(zhuǎn)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(dāng)您直接將一個電容器插入音頻鏈時，進行過模擬濾波器設(shè)計的人都了解這樣做的結(jié)果。電容器阻抗的特性是低頻率下其表現(xiàn)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(yīng)引入到了您的系統(tǒng)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(jié)論：
- 優(yōu)點：低成本。
- 缺點：可能需要專用 VCC，可能會出現(xiàn)一些咔嗒和噼噗聲，并且低音響應(yīng)較差。
解決方案 3：具有生成負電源軌內(nèi)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(shù)將一個充電泵集成于器件中，從而創(chuàng)建了一個內(nèi)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(shù)利用輕松集成的單電源提供了雙極性能
這種技術(shù)集兩者之大成。雙極電源所具有的接地偏置輸出性能和優(yōu)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(yīng)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(tǒng)電壓上（常見于數(shù)字處理器等）。現(xiàn)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(tǒng)至輸出放大器中布置更多的電源線跡。
對于大多數(shù)家庭音頻系統(tǒng)來說，107 dB 的音頻性能超出了其系統(tǒng)的任何 DAC。需要指出的是，一些系統(tǒng)可能會需要轉(zhuǎn)到傳統(tǒng)的雙電源輸出驅(qū)動器設(shè)計。典型系統(tǒng)大多會被視為“專業(yè)”AV 接收機，其轉(zhuǎn)換器均運行在 110-dB+ 范圍內(nèi)。大部分運算放大器也都適用于這些應(yīng)用。
結(jié)論：
- 優(yōu)點：集兩者之大成—無噪聲、清晰的低音響應(yīng)、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(tài)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(shè)計人員正在做的工作是如何驅(qū)動輸出線路驅(qū)動器，那么他們最終會問自己系統(tǒng)中為什么需要較高的電壓軌。投放市場的一些新型產(chǎn)品均具有許多單電源器件和一個生成負電源軌的內(nèi)置充電泵（例如使用直接路徑技術(shù)），這些產(chǎn)品正迅速地改變著音視頻產(chǎn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)字音頻 D/A 轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性能測試應(yīng)用手冊
http://focus.ti.com/lit/an/sbaa055/sbaa055.pdf
作者簡介：
Dafydd Roche 現(xiàn)任 TI 高性能模擬產(chǎn)品部家庭娛樂和專業(yè)音頻產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理。Dafydd 畢業(yè)于約克大學(xué) (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(shè)計工程師設(shè)計出最終用戶迫切需要的產(chǎn)品。即使在客戶拜訪、內(nèi)部會議以及商業(yè)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(qū)同道的音樂人共同制作和錄制音樂。