不管是以筆記型電腦或PDA形式表現，可攜式電腦基本上提供給實現高品質音訊的環境是相當嚴苛的，不管是高雜訊的電源、有限的空間或者是與數位電路共用的電源與接地點，都對提供音樂播放、語音錄製以及其他相關功能的類比與混合信號電路帶來相當嚴格的要求，同時使用者對高品質音訊的期待也與希望擁有最長電池使用時間相衝突，因為它需要將沒有在使用中的電路電源暫時移除。

對音訊電路的設計者來說，主要的挑戰是設計出能夠與ASIC、處理器以及直流直流轉換器等共存的高效能、低雜訊類比線路，而在傳統的聲音播放結構中這些問題只會影響一個元件，它就是耳機驅動電路。

耳機驅動電路之瓶頸與改進

筆記型電腦的耳機輸出必須要能夠推動一個低阻抗的負載（通常為32Ω，有時可能低到16Ω），信號位準則大約在1Vrms，同時還要維持音源的動態範圍，乍看之下好像是個簡單的工作，但仔細思考後會發現有幾個困難需要解決：

電源雜訊的抑制

要達到合理的信號雜訊比（SNR），我們必須抑制耳機放大器輸出端的電源雜訊效應，而耳機驅動電路的電源拒斥設計則是達成這個目標的基本要求，例如CD或DVD之類的動態範圍可能會超過90dB，假設有在音訊電路電源上有一個100mV的雜訊，而且大部份的頻譜都存在音訊頻帶上，那麼我們就必須將這個雜訊在耳機輸出端降低到30μV以維持90dB的動態範圍，也就是說，耳機驅動電路的PSRR必須在目標頻率上要超過70dB。

要在整個音訊頻帶上達成這樣的電源拒斥效果，我們就必須採用精心設計的作法，特別是放大器在目標頻率範圍內對電源雜訊的抑制，由於在大部份運算放大器的資料規格書中，我們可以看到PSRR通常在直流時相當高，但是會隨著頻率的增加大幅滑落，大約在-20dB/decade，在20KHz時，某些元件的PSRR甚至還會低於40dB。

有些直流直流轉換器會在音訊頻譜的頂端產生較高的雜訊，雖然位在這些頻率的雜訊比較不會被聽到，但是在耳機輸出端所造成的雜訊還是達到可以測量出來的程度。請注意大部份音訊DAC或CODEC的規格書中都會有使用者較少注意的PSRR規格相關的內建耳機驅動電路，通常如果提供的話，它會列在電源特性底下的一個單一項目，而不是一個PSRR相對於頻率的曲線。

由於大部份的耳機放大器缺乏足夠的PSRR，因此我們可以加入一個低壓降穩壓器（LDO, Low-dropout）來維持耳機放大器電源的穩定，例如我們要在筆記型電腦音訊輸出端達到足夠的電源雜訊抑制效果的話，由於+5V還是音訊電路最常見的電源，因此部份的連接點還是會調節到4.7V左右。

喀撘聲與爆裂聲的抑制

喀撘聲與爆裂聲的抑制通常是用來描述晶片能夠在靜音或者是開關機時發生的突然間或不連續轉變所造成的雜音降到最低，這個動作基本上不容易由輸出驅動電路達成，因為沒有下一級電路可以被靜音來遮蔽快速發生的異常狀況，如果耳機是插入時，那麼不管是採用什麼樣的驅動電路，都會造成或改變音訊系統轉換效能的轉變。

耳機驅動線路通常是由單電源所驅動，同時透過一個大電容將輸出交流偶合到耳機插座上，請見(圖一)，這樣的安排可以避免在耳機上產生直流電壓，造成耳機驅動電路的損壞。在運作時，這個遮蔽電容上會有一個電壓，原因是電容器的耳機端是在地電位，而放大器輸出端則會被偏壓到大約是電源的一半，在電源加入時，這個電容必須要已經充電到它的工作電壓，但是它所允許進入的電流必須要流經負載，也就是耳機內的聲音線圈，那麼要如何才能避免這個電流產生的有聲信號呢？

《圖一　包含了一個串連電容的耳機驅動電路》

有些設計在放大器輸出採用JFET與離散元件來抑制這個充電電流，其他還有利用RC電路的時間常數來延緩啟動轉換，因而可以透過降低這些干擾雜音的頻率來去除雜音，而市面上也有產品採用了背對背（back-to-back）的指數型升壓（S-形）來進一步抑制由電源啟動造成的爆裂音，和RC指數型方式不同，這樣的做法不會造成電壓改變（dv/dt）的瞬間中斷。

事實上在電源關閉過程中的轉換問題更多，在沒有電源的情況下，放大器如何控制輸出電容的放電功能呢？一個可行的做法是提供給耳機放大器一個會在運作時利用電源充電的電容做為備份電源，可以在主電源移除後提供給耳機放大器足夠的能量以便能夠平順地處理電源關閉的過程，這項技術(圖二)的整合應用產生了如(圖三)的波形。

《圖二　典型耳機放大器應用》

從(圖三)中我們可以清楚地看出，只要加入一些簡單的元件就可以讓放大器達到一個與平順啟動過程相同的可控制平順電源關閉轉換，這項技術使用了第二個VCC接腳（SVCC），在主VCC電源存在時，外部的肖特基二極體會對存儲電容充電，而在電源移除後，放大器則會依以下的程序動作：

《圖三　提供耳機放大器備份電源電容之波形效應》

另一種解決方式

以上的解決方案努力地解決了一個行銷部門可能不太重視的無形功能，因此一個比較理想的作法是完全省去輸出電容，因此能夠完全不需考慮耳機聲音線圈上的充放電效應，例如這個電容可以透過將耳機驅動電路以直流偶合的方式去除，擁有零電壓輸出偏壓，同時提供給放大器雙極性的電源。由於大部份採用電池作為主要電源的設計都有單電源的限制，因此設計者可以有幾種選擇，其中一種作法是使用第三個放大器來將耳機偏壓回復到電源中間點，因此就可以產生一個虛擬的0V輸出偏壓。由於主立體聲放大器也偏壓到電壓中間點，可以省去直流偶合電容，因此，第三個放大器必須要能夠由兩個主放大器吸取或提供電流，同時要能夠承受由接入耳機插座所帶來的ESD放電效應（耳機接頭必須要和機殼隔離）。

另一種選擇則是由所提供的正電源產生專用的負電源，或者採用能夠方便地產生負電源的獨立元件，請見(圖四)，這樣的作法可以讓ESD與接地不再造成問題，同時所得到的額外電壓範圍也可以讓輸出電壓的峰對峰（peak-to-peak）範圍幾乎倍增，這是在3V或更低電源運作下相當有用的功能。

《圖四　由正電源產生專用的負電源來讓ESD與接地不成問題〈註:為了讓放大器能夠使用雙電源，內建的充電泵會將正電源電壓反向，因此再也不需串連電容，但卻必須提供充電泵小型陶瓷電容以便將電路板面積縮到最小。〉》

進一步的限制

在產品推出之前，設計的電路通常需要經過不斷的折衝，例如因為要達成ESD的要求可能會在在耳機驅動電路與耳機插座之間加上鐵氧磁芯或其他EMC測量，由於這些元件可能會對音頻造成重大影響，帶來串音干擾問題以及輸出功率的損失，不過透過仔細的設計以及Kelvin感測（Kelvin-sensing）技術，將能夠重新取得相當好的音訊效能。

由耳機所送回的電流也應該加以考量，在電源接近100mA時，地接面或PCB板上銅線的有限阻抗也會造成大幅的IR壓降，同樣地，在與直流直流轉換器共用接地點時也會造成SNR的損失，在這方面我們可以透過加入專用的回返路徑或者是銅填充（copper fill）可以幫助解決這個問題。

數位化的未來？

除非數位化耳機開始大量生產，否則推動耳機插座的電路還是必須為採用類比設計，這個現象是否會持續？Class D形式的設計會在放大器的輸出維持一個數位音訊通道，雖然必須加入濾波元件以維護效率並降低EMI，PSRR以及喀撘與爆裂聲抑製還是會造成效能的損失，因此基本上在可見的未來類比硬體設計工程師還是相當地重要。

(作者任職於MAXIM公司)