早在擴音技術發展的初期，耳機就已經可多功能收聽音樂。經過多年的演變，耳機的大小已逐漸進化成共通的設定。現今差不多所有的耳機都採用一種名為TRS（尖端(tip)、環端(ring)、輪端(sleeve)）連接器的3.5公釐（標稱為1/8英吋）三端子連接器。少部份的耳機採用比較大的1/4英吋（標稱為6.3公釐）格式的TRS連接器。圖一所示為TRS連接器，這款連接器最大的優點就是共通性，也就是說它幾乎可以使用在市面上任何一個音訊或多媒體電子裝置。
但隨著這些耳機的應用日漸普遍，尤其是當有兩個揚聲器共用一個連接（或接地）時，共通性便成為了其中一種缺點。以可攜式裝置來說，現今大部份都是由單一正電源供電，而音訊的交流本質會使電源單極性與音訊訊號雙極性之間的電子出現某種程度的電平移位。
電容耦合放大器輸出
採用單一電源操作的耳機放大器可輕易透過耦合電容器來驅動有接地參考的耳機，如圖二所示。圖中的雙通道放大器被偏置於中間電源，並且透過一對耦合電容器來驅動立體聲耳機。
為這些電容器選擇適當的電容值相對來說比較簡單，可用以下的數式計算出來：
當中CMIN是最小的可用電容值，fC是所要求的低截止頻率，而ZL是耳機的阻抗。舉例來說，假如所要求的截止頻率為100Hz，而負載阻抗是16時，所需的電容值便應為100μF。可是在實際的情況中，一般都會選用比標準高一級的數值以確保有足夠的低音回應，同時將接近截止頻率的失真推到較低的頻率。
由於已知由輸出電容器所造成的電平移位的極性，因此通常都會選用一個極化電容器。即使極化電容器具有很高的C-V密度，它們仍然是放大器系統中最大的物件，比連接器本身的體積更大。
雖然標準的運算放大器也可用作電容器耦合耳機放大器，但當它在開、關機時一般都會發出很吵雜的卡嗒聲（click）或爆音（pop）。美國國家半導體LM48100放大器可以解決此一問題，它特別設有一個受控制的開機和關機程序，能夠有效地消除這些令人討厭的聲音。
電容耦合放大器無疑是最便宜的耳機放大器電路，雖然放大器所省的成本與耦合電容器會相互抵銷，但只要尺寸不是首要考慮的問題，那麼設計人員一般都會選用電容器耦合耳機放大器。
無輸出電容器（OCL）放大器
假如要改善驅動接地參考耳機的效果，其中一個方法便是用第三個放大器來驅動輪端（接地）的端子，如圖三所示。圖中的第三個放大器被偏置在中間電源，它將輪端驅動到一個固定的直流電壓，從而使AC音訊訊號在中間電源電壓的附近偏置。
OCL放大器的主要優點是其低音回應可以擴展到直流電源電壓。這項功能對於大部份系統來說都難以達到，原因是電路的其他部份仍可能設有耦合電容器。然而，這些耦合電容器仍然可以在高出很多的阻抗下工作，例如是20k的級別，因此對這些電容器的尺寸和成本要求都是最低的。
OCL耳機放大器可算是最細小的系統，雖然與電容器耦合耳機放大器比較，其電路成本和功耗則較大。由於OCL耳機放大器擁有最佳的低音回應，因此對於那些尺寸要求比較嚴格或操作電壓最小為2.5V的系統來說，OCL耳機放大器仍是最佳的選擇。
有些系統在接端於接地以上偏置時會出現問題，當耳機的插口連接著其他的裝置而不是耳機時，這個問題便會發生。假如有兩個系統經一個地線參考（非隔離）接地共用一個接地，便可能有過大的電流流經套管的連接。
接地參考放大器輸出
修正OCL耳機放大器的非接地輪端問題的一個方法是使用接地參考耳機放大器，如圖4所示。當中放大器電路上的電荷泵浦會產生出一個負電壓，這個電壓表面上與正電源相等，但極性恰好相反。該接地參考耳機放大器會在正電源與負電源之間操作，從而使輸出產生出一個交流音訊訊號。
與OCL耳機放大器比較，採用接地參考耳機放大器通常都會增加電路的成本，而且功耗大約是OCL的兩倍。然而，接地參考耳機放大器也同樣擁有極優的低音回應。由於接地參考耳機放大器能夠有效地將電源增大一倍，因此即使電壓低至1.4V，仍然能夠產生出足夠的輸出功率（請參看附文「究竟多少功率才足夠?」）。接地參考耳機放大器通常都會使用在那些尺寸要求很嚴格的系統，而且該系統的耳機插口可能需要連接到其他的裝置中。
接地參考耳機放大器的最大缺點是功耗較大。電路中的電荷泵浦會從正電源提取電流，而由於電荷泵浦的效率損耗，其所提取的電流一般會比放大器的偏置電流稍微大一點。此外，電荷泵浦的另一個問題是它屬於自振振盪電路（free running oscillator），可能會對鄰近的電路產生些微的影響。即使這個開關（charge pump）頻率本身處於聽不到的範圍內，電荷泵浦的頻率仍可從負電源波動期間的音訊訊號中觀察得知。
高性能耳機放大器
高性能耳機放大器可以提供優質的音效感受，如圖五所示，系統是用使用雙重電源來操作，典型是±5V到±15V，而兩個電源均有穩壓處理。電路中的高性能運算放大器會在一個共用迴路內驅動一個高電流緩衝器，並在合成放大器電路周圍回饋。
高性能耳機放大器的最大優點是它可將系統的兩個主要部份隔開。輸入放大器訂立系統的整體音質。在這個例子中，THD+N為0.00003％的LM4562便可提供一個穩健的基礎，而真正用來驅動低阻抗耳機的是一個LME49600高電流緩衝器。這方法可有效地消除來自精準控制電路的負載電流所引致的熱梯度，情況就如一位芭蕾舞蹈員優雅地去控制如美式足球後衛一樣發達的肌肉。
高性能耳機放大器最好是配合高質的音訊訊源使用，原因是這些放大器都是以高保真度來掛帥，至於成本、尺寸和功耗等問題都屬次要。
最理想的音訊還原系統是用一個高性能、高取樣率（即24位和192kHz）的音訊訊源來驅動一個動態範圍最少有120dB的類比/數位轉換器，而類比/數位轉換器的輸出可用來直接驅動高性能耳機放大器的輸入，期間在類比的領域沒有任何附加的訊號處理。（請參看「耳機交叉供給」附文）。所有的音量控制均在微控制器的指令下由類比/數位轉換器以數位形式來控制。在某些系統中，一個直流伺服會被建立在耳機放大器的周圍以去除直流成份，從而消除所有音訊路徑上的電容器。
不同耳機放大器的品質比較
依照消費者應用需要選擇適合的耳機放大器其實是頗為簡單。表一中的資料表示出系統普遍需要最佳化的參數，當中提供了針對不同拓墣技術的品質比較。
應用實例
採用1.2V/1.5V電池的數位音樂播放器
一個數位音樂播放器（DAP）要求有良好的音質和輕薄的尺寸，當它依靠單一顆電池來操作時，無論是最基本的鹼性電池還是鎳金屬混合可充電電池，都難以有足夠的輸出功率。然而，配備有電源倍增電荷泵浦的接地參考放大器便是解決這個問題的最佳方案，它的電路尺寸不僅小，而且還有良好的低音回應。
採用鋰離子電池的數位音樂播放器
採用鋰離子（Li+或鋰聚合物電池等）來操作的數位音樂播放器由於可獲得較大的電源電壓，因此可使用一個OCL耳機放大器。大部份的數位音樂放大器事實上在連接到電腦時都會把其類比耳機輸出關閉，以解決輪端的偏置電壓問題。除此之外，OCL放大器的其他優點還包括有相對較小的應用電路，也比一般的接地參考耳機放大器便宜。
配備立體聲耳機的手機
手機市場現正劃分為OCL與接地參考耳機放大器兩個部份，這些採用鋰離子來供電的手機，電壓不成問題，可是有些手機具備有多個功能埠，這才是問題所在。當手機用作視頻輸入時，埠必須可承受一個負同步脈衝，而在容忍負脈衝的能力方面，接地參考耳機放大器可謂輕而易舉。
手機或DAP功能擴展底座
現今不少的功能擴展底座在內裡都設有足夠的空間，因此電容器耦合耳機放大器的電容器尺寸就不再是一個問題。毫無疑問，這個拓墣架構對於較低階的功能擴展底座來說是不錯的選擇，但對於比較高階的產品，採用OCL或接地參考放大器可獲得更佳的低音回應。事實上，高階的功能擴展底座正是高性能耳機放大器鎖定的市場。
結語
只要設計人員能夠運用不同的放大器，便可輕易地克服來自一般耳機上TRS共用接地端子的限制，事實上每一種方法均有其優點，只要設計人員選擇得宜，便可將設計最佳化和減少主要參數間取捨的程度。
--作者為美國國家半導體應用工程師
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