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投放市場(chǎng)的一些新型產(chǎn)品正迅速地改變音視頻產(chǎn)品的市場(chǎng)格局,，因?yàn)樗鼈兌季哂性S多單電源器件和一個(gè)可生成負(fù)電源軌的內(nèi)置充電泵。
作者：Dafydd Roche，德州儀器 (TI)
廣播市場(chǎng)的從業(yè)人員是提出接口標(biāo)準(zhǔn)的第一人,。將多個(gè)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(biāo)準(zhǔn)來(lái)確保前一個(gè)產(chǎn)品的輸出不會(huì)對(duì)下一個(gè)產(chǎn)品產(chǎn)生過(guò)載，并可以輕松地將理想增益或衰減量添加到信號(hào)之中,。
傳統(tǒng)的一些接口標(biāo)準(zhǔn)限定值為 +4 dBV 和 -10 dBV（即無(wú)計(jì)算器或沒(méi)有計(jì)算需要情況下的 1.23 Vrms 和 0.316 Vrms）,。多年來(lái)，這就是給消費(fèi)類電子及專業(yè)設(shè)備帶來(lái)差異化的標(biāo)準(zhǔn),。在任何一臺(tái) 20 世紀(jì) 90 年代初期的獨(dú)立 CD 播放器上,，您都可以很容易地找到我說(shuō)的這種標(biāo)準(zhǔn)。
20 世紀(jì) 80 年代末和90 年代初期,，人們已經(jīng)對(duì)連接到其電視機(jī)的一些設(shè)備有所挑剔,。僅僅只是通過(guò)同軸天線接頭連接 VHS 設(shè)備的日子已漸漸遠(yuǎn)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(kāi)始通過(guò)立體聲 RCA 插孔傳輸—正如您的 Hi-Fi 一樣。
SCART 標(biāo)準(zhǔn)
與此同時(shí),，SCART 連接器也開(kāi)始在歐洲流行（請(qǐng)參見(jiàn)圖 1）,。SCART 給廣大廠商帶來(lái)了一種全新的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用環(huán)境。不僅連接器是全新的,，人們娛樂(lè)的水平也得到了極大提升,。
圖 1- SCART 連接器
無(wú)論使用何種互聯(lián)，您傳輸?shù)男盘?hào)越高,，您在接收機(jī)中獲得的動(dòng)態(tài)范圍也就越大，因?yàn)榻邮諜C(jī)一般都具有一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)以及接收機(jī)應(yīng)向驅(qū)動(dòng)器施加的預(yù)期阻抗的標(biāo)準(zhǔn)。SCART 標(biāo)準(zhǔn)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(hào)比我們一開(kāi)始想象的要難得多。想一想我們?cè)诩彝蕵?lè)環(huán)境中都連接了哪些產(chǎn)品：DVD 播放器,、機(jī)頂盒,、游戲機(jī)、AV 接收器等等,。一個(gè)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(hào)擺幅,。輸出這種信號(hào)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?fù)洌瑢?DAC 輸出帶到現(xiàn)實(shí)世界。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法主要有三種：
- 采用具有一個(gè)分裂軌 (split rail) 電源的雙極電源運(yùn)算放大器 (op amp),；
- 采用具有一個(gè) VDD/2 DC 偏移和一個(gè)輸出 DC 阻擋電容器的單電源運(yùn)算放大器,；
- 采用具有一個(gè)可生成負(fù)電源軌內(nèi)置充電泵的單電源運(yùn)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?fù)涠加衅涓髯缘膬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),。
解決方案 1：固定輸入雙極電源運(yùn)算放大器。
圖 2-簡(jiǎn)化的雙電源運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)運(yùn)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(jiǎn)單的方法,。
圖 3-雙電源輸出級(jí)的理想接地偏置輸出
利用這種方法，設(shè)計(jì)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(yùn)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(fèi)類音頻系統(tǒng)不能在 +5 V 以上的電壓電源上運(yùn)行,，這樣擁有一個(gè)負(fù)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(gè)低壓降穩(wěn)壓器 (LDO),，以及構(gòu)建該器件所需的一些無(wú)源器件。
結(jié)論：
- 優(yōu)點(diǎn)：如果您的系統(tǒng)可以承受高成本,，使用它還是相當(dāng)不錯(cuò)的,。
- 優(yōu)點(diǎn)：如果您的系統(tǒng)可以承受高成本，使用它還是相當(dāng)不錯(cuò)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(yùn)算放大器
圖 4-單電源線路驅(qū)動(dòng)器運(yùn)算放大器
還有一種倍受人們青睞的老方法,。過(guò)去，用于許多系統(tǒng)的低成本方法是在一個(gè) 8V+ 高壓軌運(yùn)行一個(gè)單電源運(yùn)算放大器,。但許多系統(tǒng)并不樂(lè)于接收一種帶 DC 偏置的信號(hào)——設(shè)計(jì)人員通常會(huì)添加一些 DC 阻擋電容器來(lái)確保其產(chǎn)品只有 AC 信號(hào),。
圖 5-傳統(tǒng)單電源運(yùn)算放大器的輸出
在此類系統(tǒng)中，電容器用 DC 充電,，同時(shí)接收機(jī)完成一個(gè)低電位路徑,。在正常運(yùn)行期間，不會(huì)出現(xiàn)太大問(wèn)題,。但是,，一旦放大器改變狀態(tài)（即開(kāi)啟、關(guān)閉或轉(zhuǎn)至低功耗模式）,，DC 將會(huì)放電,，從而引起一些咔嗒和噼噗聲。
另外，當(dāng)您直接將一個(gè)電容器插入音頻鏈時(shí),，進(jìn)行過(guò)模擬濾波器設(shè)計(jì)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(duì)信號(hào)的較高電阻。換句話說(shuō),，它們并不僅僅阻擋 DC,。DC 阻擋電容器將一個(gè)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(diǎn)的方法有很多,，其中之一便是使用一個(gè)具有較大值的電容器,。通過(guò)下列方程式可以計(jì)算得到 RC 濾波器的 3-dB 濾波點(diǎn)：
f3db = 1 / 2πRlCo
其中，Rl 為音頻鏈中下一個(gè)器件的負(fù)載,，Co 為輸出電容,。大值電容器一般成本更高，且會(huì)占用更多的 PCB 空間,。
結(jié)論：
- 優(yōu)點(diǎn)：低成本,。
- 缺點(diǎn)：可能需要專用 VCC，可能會(huì)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(fù)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(gè)雙極運(yùn)算放大器和充電泵
其為用于生成更高壓信號(hào)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(gè)充電泵集成于器件中,，從而創(chuàng)建了一個(gè)內(nèi)部負(fù)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(yùn)行,，從而獲得一個(gè)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(diǎn)提供了無(wú)噪聲性能,，并可直接連接至音頻鏈中下一個(gè)器件—無(wú)需 DC 阻擋電容器,。而且低音響應(yīng)更加自然。另外,，運(yùn)行在 +3.3-V 電源中意味著，該器件可以運(yùn)行于典型的系統(tǒng)電壓上（常見(jiàn)于數(shù)字處理器等）?，F(xiàn)在,，不再需要專用更高的電壓軌，或者說(shuō)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(duì)于大多數(shù)家庭音頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，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(huì)需要轉(zhuǎn)到傳統(tǒng)的雙電源輸出驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì),。典型系統(tǒng)大多會(huì)被視為“專業(yè)”AV 接收機(jī)，其轉(zhuǎn)換器均運(yùn)行在 110-dB+ 范圍內(nèi)。大部分運(yùn)算放大器也都適用于這些應(yīng)用,。
結(jié)論：
- 優(yōu)點(diǎn)：集兩者之大成—無(wú)噪聲,、清晰的低音響應(yīng)、易于布局,，是 95% 家庭音頻市場(chǎng)的理想器件,。
- 缺點(diǎn)：107-dB 左右動(dòng)態(tài)范圍的性能極限—在機(jī)頂盒、便攜式 DVD 播放器和游戲機(jī)市場(chǎng)通常不存在該問(wèn)題,。
如果一些設(shè)計(jì)人員正在做的工作是如何驅(qū)動(dòng)輸出線路驅(qū)動(dòng)器,，那么他們最終會(huì)問(wèn)自己系統(tǒng)中為什么需要較高的電壓軌。投放市場(chǎng)的一些新型產(chǎn)品均具有許多單電源器件和一個(gè)生成負(fù)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(chǎng)的格局,。
參考文獻(xiàn)：
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(cè)
http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ml/slyb115c/slyb115c.pdf
3. TI 音頻解決方案手冊(cè)
http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ml/slyy013c/slyy013c.pdf
4. TI 接口解決方案手冊(cè)
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(dòng)態(tài)性能測(cè)試應(yīng)用手冊(cè)
http://focus.ti.com/lit/an/sbaa055/sbaa055.pdf
作者簡(jiǎn)介：
Dafydd Roche 現(xiàn)任 TI 高性能模擬產(chǎn)品部家庭娛樂(lè)和專業(yè)音頻產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)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(lè)制作方面的知識(shí)都傾注到了其工作中,，從而盡其全力幫助音頻設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)出最終用戶迫切需要的產(chǎn)品。即使在客戶拜訪,、內(nèi)部會(huì)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(shí)間與達(dá)拉斯地區(qū)同道的音樂(lè)人共同制作和錄制音樂(lè)。