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2 Vrms —— 一种有趣的旧标准

投放市场的一些新型产品正迅速地改变音视频产品的市场格局,因为它们都具有许多单电源器件和一个可生成负电源轨的内置充电泵。

作者:Dafydd Roche,德州仪器 (TI)

广播市场的从业人员是提出接口标准的第一人。将多个产品连接在一起以创建出一种最终产品的方法,需要有一种标准来确保前一个产品的输出不会对下一个产品产生过载,并可以轻松地将理想增益或衰减量添加到信号之中。

传统的一些接口标准限定值为 +4 dBV 和 -10 dBV(即无计算器或没有计算需要情况下的 1.23 Vrms 和 0.316 Vrms)。多年来,这就是给消费类电子及专业设备带来差异化的标准。在任何一台 20 世纪 90 年代初期的独立 CD 播放器上,您都可以很容易地找到我说的这种标准。

20 世纪 80 年代末和90 年代初期,人们已经对连接到其电视机的一些设备有所挑剔。仅仅只是通过同轴天线接头连接 VHS 设备的日子已渐渐远去。随着更高质量音频源(NICAM 立体声、激光盘等等)的出现,音频开始通过立体声 RCA 插孔传输—正如您的 Hi-Fi 一样。

SCART 标准


与此同时,SCART 连接器也开始在欧洲流行(请参见图 1)。SCART 给广大厂商带来了一种全新的标准应用环境。不仅连接器是全新的,人们娱乐的水平也得到了极大提升。

图 1- SCART 连接器

无论使用何种互联,您传输的信号越高,您在接收机中获得的动态范围也就越大,因为接收机一般都具有一个固定的噪声量。伴随着这种新型连接器,出现了一些电压摆幅标准以及接收机应向驱动器施加的预期阻抗的标准。SCART 标准最终发展成为 2 Vrms (5.6 Vpp),并具有 10 kΩ 的输入阻抗。

生成接地偏置 5.6-Vpp 信号比我们一开始想象的要难得多。想一想我们在家庭娱乐环境中都连接了哪些产品:DVD 播放器、机顶盒、游戏机、AV 接收器等等。一个典型的 5-V DAC 的输出约为 4 Vpp,偏置约为 2.5 V。较低工作电压 DAC 甚至可以具有低电压偏置的低信号摆幅。输出这种信号要求具有一定水平的增益和缓冲。

这就恰好能够让我们输出一些拓扑,将 DAC 输出带到现实世界。实现这一目标的方法主要有三种:

  • 采用具有一个分裂轨 (split rail) 电源的双极电源运算放大器 (op amp);
  • 采用具有一个 VDD/2 DC 偏移和一个输出 DC 阻挡电容器的单电源运算放大器;
  • 采用具有一个可生成负电源轨内置充电泵的单电源运算放大器,以提供足够的摆幅和接地偏置输出。

上述的每一种拓扑都有其各自的优点和缺点。

解决方案 1:固定输入双极电源运算放大器。


图 2-简化的双电源运算放大器输出电路

许多系统均以反相或非反相格式使用标准运算放大器,将 DAC 或 SoC 的不稳定输出带到外部世界。到目前为止,这是获得近 GND 偏置、5.6-Vpp 摆幅输出最为简单的方法。

图 3-双电源输出级的理想接地偏置输出

利用这种方法,设计人员可以精确地将声音调节至需要的水平,选出其想要的最佳运算放大器,甚至可以在输出路径中插入一定的滤波。

但是,许多消费类音频系统不能在 +5 V 以上的电压电源上运行,这样拥有一个负电源轨的希望便附加到 COB 上。市售的一些系统可以产生音频线路电平放大器的电源轨,但一般要额外使用两个低压降稳压器 (LDO),以及构建该器件所需的一些无源器件。

结论:

  • 优点:如果您的系统可以承受高成本,使用它还是相当不错的。
  • 优点:如果您的系统可以承受高成本,使用它还是相当不错的。

解决方案 2:具有 VDD/2 DC 偏置及 DC 阻挡电容器的单电源运算放大器


图 4-单电源线路驱动器运算放大器

还有一种倍受人们青睐的老方法。过去,用于许多系统的低成本方法是在一个 8V+ 高压轨运行一个单电源运算放大器。但许多系统并不乐于接收一种带 DC 偏置的信号——设计人员通常会添加一些 DC 阻挡电容器来确保其产品只有 AC 信号。

图 5-传统单电源运算放大器的输出

在此类系统中,电容器用 DC 充电,同时接收机完成一个低电位路径。在正常运行期间,不会出现太大问题。但是,一旦放大器改变状态(即开启、关闭或转至低功耗模式),DC 将会放电,从而引起一些咔嗒和噼噗声。

另外,当您直接将一个电容器插入音频链时,进行过模拟滤波器设计的人都了解这样做的结果。电容器阻抗的特性是低频率下其表现为对信号的较高电阻。换句话说,它们并不仅仅阻挡 DC。DC 阻挡电容器将一个高通滤波效应引入到了您的系统输出。消除滤波器 3-dB 点的方法有很多,其中之一便是使用一个具有较大值的电容器。通过下列方程式可以计算得到 RC 滤波器的 3-dB 滤波点:

f3db = 1 / 2πRlCo

其中,Rl 为音频链中下一个器件的负载,Co 为输出电容。大值电容器一般成本更高,且会占用更多的 PCB 空间。

结论:

  • 优点:低成本。
  • 缺点:可能需要专用 VCC,可能会出现一些咔嗒和噼噗声,并且低音响应较差。

解决方案 3:具有生成负电源轨内置充电泵的单电源器件


图 6-TI DRV60x 系列,其集成了一个双极运算放大器和充电泵

其为用于生成更高压信号摆幅输出以及维持接地偏置输出的最新方法之一。

TI 的直接路径 (DirectPath) 专利技术将一个充电泵集成于器件中,从而创建了一个内部负电源。这使得器件的放大器可以在一种双极(双电源)模式下运行,从而获得一个接地偏置输出的电位 6-V+ 摆幅。

图 7-直接路径技术利用轻松集成的单电源提供了双极性能

这种技术集两者之大成。双极电源所具有的接地偏置输出性能和优点提供了无噪声性能,并可直接连接至音频链中下一个器件—无需 DC 阻挡电容器。而且低音响应更加自然。另外,运行在 +3.3-V 电源中意味着,该器件可以运行于典型的系统电压上(常见于数字处理器等)。现在,不再需要专用更高的电压轨,或者说一般不再需要在您的系统至输出放大器中布置更多的电源线迹。

对于大多数家庭音频系统来说,107 dB 的音频性能超出了其系统的任何 DAC。需要指出的是,一些系统可能会需要转到传统的双电源输出驱动器设计。典型系统大多会被视为“专业”AV 接收机,其转换器均运行在 110-dB+ 范围内。大部分运算放大器也都适用于这些应用。

结论:

  • 优点:集两者之大成—无噪声、清晰的低音响应、易于布局,是 95% 家庭音频市场的理想器件。
  • 缺点:107-dB 左右动态范围的性能极限—在机顶盒、便携式 DVD 播放器和游戏机市场通常不存在该问题。

如果一些设计人员正在做的工作是如何驱动输出线路驱动器,那么他们最终会问自己系统中为什么需要较高的电压轨。投放市场的一些新型产品均具有许多单电源器件和一个生成负电源轨的内置充电泵(例如使用直接路径技术),这些产品正迅速地改变着音视频产品市场的格局。

参考文献:


1. TI 音频解决方案
http://www.ti.com.cn/ww/analog/overview/index.shtml

2. TI 放大器和数据转换器手册
http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/techdocs.tsp?siloId=1

3. TI 音频解决方案手册
http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/techdocs.tsp?siloId=1

4. TI 接口解决方案手册
http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/techdocs.tsp?siloId=1

5. 数字音频 D/A 转换器的动态性能测试应用手册
http://www.ti.com/general/docs/techdocs.tsp?siloId=1

作者简介:


Dafydd Roche 现任 TI 高性能模拟产品部家庭娱乐和专业音频产品市场营销经理。Dafydd 毕业于约克大学 (University of York (UK)),他将其精力和音频及音乐制作方面的知识都倾注到了其工作中,从而尽其全力帮助音频设计工程师设计出最终用户迫切需要的产品。即使在客户拜访、内部会议以及商业展览等紧张忙碌生活的闲暇里,Dafydd 依然抽出时间与达拉斯地区同道的音乐人共同制作和录制音乐。