Wzmacniacze słuchawkowe - przegląd popularnych konfiguracji

Rys. 1. Tradycyjny układ wzmacniacza słuchawek

Uznanie znajdują nawet takie rozwiązania, w których liczba kondensatorów jest dużo większa niż w układach tradycyjnych. Modele wzmacniaczy tego typu mają bowiem konkurencyjne właściwości, które pozytywnie wyróżniają te układy na tle rozwiązań cap-free. W dalszej części artykułu zostaną omówione przykłady wzmacniaczy słuchawkowych obu tych rodzajów.

Na rys. 1 został przedstawiony schemat tradycyjnego układu wzmacniaczy słuchawek. Wzmacniacze lewej i prawej słuchawki są zasilane niesymetrycznie. Za każdym wzmacniaczem znajduje się kondensator odcinający składową stałą, która w przypadku zasilania niesymetrycznego jest równa połowie napięcia zasilania. Na wyjściu wzmacniacza zazwyczaj stosowane są kondensatory elektrolityczne tantalowe. Powszechnie spotyka się elementy o pojemności 220µF.

Pojemność na wyjściu wzmacniacza i impedancja słuchawek tworzą układ filtru górnoprzepustowego. Od ich wartości zależy częstotliwość odcięcia, z którą jest związane tłumienie niskich tonów. W przypadku impedancji słuchawek o wartości 16Ω i kondensatora wycinającego 220µF tłumione są sygnały o częstotliwości poniżej 45Hz. Częstotliwość odcięcia maleje w przybliżeniu dwukrotnie, gdy używane są słuchawki o impedancji 32Ω. Kondensatory o pojemności poniżej 220µF nie są zalecane, ponieważ zbytnio zwiększają częstotliwość odcięcia, co prowadzi do utraty sygnału akustycznego o niższych, basowych częstotliwościach.

Technologia produkcji kondensatorów jest bezustannie rozwijana i udoskonalana. Pod względem zakresu miniaturyzacji i redukcji kosztów produkcji kondensatory pozostają jednak daleko w tyle w porównaniu do innych elementów elektroniki użytkowej. W związku z tym aktualnie para kondensatorów o pojemności 220µF nadal zajmowałaby zbyt wiele miejsca na płycie urządzenia, np. w odtwarzaczu multimedialnym lub w telefonie komórkowym.

Kompromis pomiędzy rozmiarem fizycznym kondensatora a jego ceną jest co prawda możliwy, jednak tradycyjne rozwiązanie jest przeważnie i tak nieodpowiednie dla większości obecnie produkowanych urządzeń odtwarzających muzykę. Stąd m.in. wynika ograniczone zastosowanie układu przedstawionego na rys. 1.

Nieprzyjemne trzaski

Inny, być może mniej oczywisty problem jest związany z załączaniem obwodu. Gwałtowna zmiana napięcia na wyjściu wzmacniacza powoduje ładowanie kondensatorów do wartości równej połowie napięcia zasilania. Prąd ładowania ma postać krótkiego impulsu, o dużej amplitudzie. Sygnał ten dociera także do słuchawek, wywołując niepożądany, dosyć głośny efekt dźwiękowy, tzw. pop-noise.

Występowanie takiego zjawiska jest niedopuszczalne i całkowicie dyskwalifikuje urządzenie odtwarzające wśród potencjalnych użytkowników. Rozwiązaniem jest stopniowa zmiana napięcia wyjściowego wzmacniacza. W ten sposób można ograniczyć amplitudę i szybkość narastania prądu ładującego. Efekty dźwiękowe towarzyszące ładowaniu kondensatorów stają się wówczas praktycznie niesłyszalne.

Rozwiązanie takie ma jednak także jedną, zasadniczą wadę. Efektu pop-noise można uniknąć jedynie kosztem znacznego wydłużenia czasu załączania układu. Jest to poważną wadą, gdyż długi czas opóźnienia pomiędzy akcją użytkownika a reakcją systemu w formie dźwiękowej powoduje wrażenie wolnego działania całego systemu.

Połowiczne rozwiązania

Zarówno krótki czas reakcji systemu, jak i brak nieprzyjemnych trzasków towarzyszących odtwarzaniu sygnału audio są istotne dla użytkowników. Rozwiązanie obu problemów należy do konstruktorów. Wielu projektantów wykorzystuje dość zaskakujące rozwiązanie.

Aby uniknąć przedstawionych komplikacji związanych z załączaniem układu, jest stosowana technika, w której wzmacniacze są aktywne przez cały czas. W praktyce zwiększa to pobór mocy układu w trybie standby i jest sprzeczne z dążeniem do ograniczania zużycia mocy, zwłaszcza w urządzeniach przenośnych. W odpowiedzi na zarzuty o marnowanie energii producenci urządzeń audio zaproponowali tryb standby o obniżonym poborze mocy.

W stanie tym napięcie wyjściowe wzmacniacza jest podtrzymywane na stałym poziomie V_DD/2. Jednocześnie zapewniony jest mniejszy pobór mocy niż w czasie odtwarzania dźwięku. Jednak wdrożenie takiego podejścia tylko częściowo rozwiązuje główny problem. Opiera się bowiem na ciągłym działaniu źródła napięcia zasilania V_DD. Stabilizator napięcia V_DD nie może zostać odłączony, a z tym wiążą się większe straty mocy i zmniejszenie czasu pracy baterii.

Uzyskanie kompromisu między rozmiarem i kosztem kondensatorów i pasmem przepustowym filtru, pomiędzy gorszą jakością dźwięku i krótszym czasem załączania oraz między wysokim poborem mocy i koniecznością dodawania nowych elementów nie jest łatwe. Co więcej, przy dziś osiągalnej jakości sygnałów audio rozwiązania pośrednie pogarszające jakość odbioru stają się po prostu niekonkurencyjne.

Można bez kondensatorów

Rys. 2. Wzmacniacz słuchawkowy z wirtualną masą

Schemat alternatywnego układu przedstawiono na rys. 2. Wynika z niego, że wzmacniacze słuchawek nie muszą zawierać kondensatorów na wyjściu. W zamian układ uzupełniono o dodatkowy, trzeci wzmacniacz. Element ten jest podłączony do zacisku masy słuchawek, czyli do styku sleeve we wtyku typu jack (TRS).

Trzeci wzmacniacz pełni rolę wirtualnej masy, zapewniając napięcie o wartości V_DD/2, bez użycia dodatkowych elementów. Rola pozostałych dwóch wzmacniaczy dla lewego i prawego kanału pozostaje niezmieniona. Ponieważ napięcie między lewym (prawym) kanałem i wirtualną masą wynosi 0, nie ma potrzeby używania kondensatorów wycinających składową stałą V_DD/2.

Producenci od dawna proponują wzmacniacze słuchawkowe z wirtualną masą. Rozwiązanie to jest oferowane pod różnymi nazwami np. pseudo-differential, phantom ground oraz wyjściem capacitor-less, które w zasadzie sprowadzają się do układu z rys. 2.

Zalety i wady

Wzmacniacze słuchawkowe z wirtualną masą mają kilka istotnych zalet. Przede wszystkim cały układ ma mniejsze rozmiary i jest tańszy niż rozwiązanie tradycyjne z rys. 1. Po drugie, istnieje możliwość precyzyjnego odtworzenia dźwięków o częstotliwościach basowych. Ostatnim argumentem przemawiającym za strukturą wykorzystującą trzy wzmacniacze jest bezproblemowe załączanie układu, któremu nie towarzyszą nieprzyjemne trzaski związane z ładowaniem kondensatorów. Wszystkie wymienione zalety wynikają oczywiście z braku kondensatorów.

Jak większość układów elektronicznych, także wzmacniacze słuchawkowe typu cap-less mają wady. Oczywistym minusem zastosowania dodatkowego elementu, jakim jest trzeci wzmacniacz, jest zwiększenie poboru mocy. Zakładając, że zostanie wykorzystany wzmacniacz klasy B, z sygnałem wyjściowym o małej amplitudzie i z rezystancyjnym obciążeniem, pobór mocy jest równy sumie mocy pobieranej przez wzmacniacze kanału lewego i prawego. Oznacza to, że w układzie z wirtualną masą jest pobierana dwukrotnie większa moc niż w tradycyjnym wzmacniaczu słuchawkowym. W przypadku urządzeń przenośnych wpływa to oczywiście negatywnie na czas pracy baterii.

Inny problem pojawia się w momencie, gdy gniazdo słuchawek jest używane jako wyjście line-out. W urządzeniach przenośnych bez oddzielnego gniazda line-out użytkownicy często podłączają zewnętrzne urządzenia przez wyjście słuchawkowe. W zależności od uziemienia w obu urządzeniach wirtualna masa wzmacniacza słuchawkowego może zostać połączona z rzeczywistą masą, co spowoduje zwarcie. Wówczas sygnał audio nie będzie odtwarzany prawidłowo. W przypadku wzmacniaczy posiadających zabezpieczenie przeciwzwarciowe ryzyko całkowitego zniszczenia powinno być niewielkie, mimo to nawet implementacja odpowiednich zabezpieczeń nie jest wystarczającym rozwiązaniem, gdy priorytetem jest wysoka niezawodność.

Pompa ładunkowa

Rys. 3. Wzmacniacz słuchawkowy z pompą ładunkową

Wad, związanych z wykorzystaniem dotychczas opisywanych układów wzmacniaczy, pozbawiony jest układ z rys. 3. Zastosowano w nim dwa wzmacniacze typu ground-referenced. Wymagają one zasilania symetrycznego, które jest realizowane z wykorzystaniem pompy ładunkowej, umożliwiającej uzyskanie ujemnego napięcia zasilania wzmacniaczy.

Dzięki wykorzystaniu zasilania symetrycznego nie ma konieczności umieszczania kondensatorów wycinających składową stałą na wyjściu wzmacniacza. Jednak z rys. 3. wynika jasno, że wykorzystanie pompy ładunkowej sprawia, iż liczba kondensatorów jest większa niż w tradycyjnym układzie z rys. 1.

Z pompą ładunkową związane są trzy kondensatory: na wejściu pompy, na jej wyjściu oraz tzw. kondensator flyback. Wzmacniacz słuchawkowy w tej konfiguracji z pewnością nie należy więc do grupy wzmacniaczy cap-less. Mimo to rozwiązanie to jest popularne wśród wielu producentów scalonych układów audio. Główną zaletą jest tutaj mały rozmiar i koszt poszczególnych elementów.

Pojemności kondensatorów używanych w układzie pompy ładunkowej są rzędu kilku µF. W porównaniu do kondensatorów o wartości 220 µF w tradycyjnej konfiguracji z rysunku 1 układ z pompą wydaje się więc lepszym rozwiązaniem. Ponadto, w przeciwieństwie do wzmacniaczy z wirtualną masą styk masy gniazda słuchawek stanowi rzeczywistą masę. Pozwala to na korzystanie z tego gniazda jako wyjścia line-out bez żadnych ograniczeń. Dodatkowo, w tej konfiguracji można wykorzystać źródło o niższym napięciu, gdyż wprowadzenie pompy ładunkowej podwaja maksymalny zakres zmian napięcia wyjściowego.

Mimo szeregu zalet, układy wzmacniaczy słuchawkowych ground-referenced wykazują też wady. Zasadniczym problemem jest duży pobór mocy. Sprawność pompy ładunkowej przy niskim poziomie głośności sygnału akustycznego jest ograniczona przez straty przełączania. Rezystancja styków oraz fizyczne wymiary elementów przełączających zaczynają negatywnie wpływać na sprawność układu przy większych amplitudach sygnału, czyli wraz ze wzrostem głośności.

Co więcej, niektóre układy wzmacniaczy nie są przystosowane do pracy w przypadku, gdy występują tętnienia napięcia zasilającego związane z pracą pompy. Aby zminimalizować ten niepożądany efekt, niektórzy producenci uzupełniają wzmacniacz o stabilizatory LDO, które jednak są przyczyną dodatkowych strat. W efekcie sprawność większości wzmacniaczy w układzie ground-referenced jest o połowę mniejsza niż w przypadku tradycyjnej konfiguracji. To z kolei ogranicza ich zastosowanie w urządzeniach bateryjnych.

Wzmacniacz klasy G

Rys. 4. Pompa ładunkowa w układzie WM8900

W układach audio ograniczona sprawność wzmacniaczy słuchawkowych typu ground-referenced jest istotną wadą. Z tego powodu prace nad zmniejszeniem poboru mocy mają obecnie najwyższy priorytet. Szczególnie obiecujących wyników w tym zakresie dostarczają wzmacniacze mocy klasy G, w których napięcie zasilania jest regulowane w zależności od poziomu głośności sygnału akustycznego. Jednak standardowe konfiguracje odwracających pomp ładunkowych ze stałym napiciem wyjściowym nie współpracują ze wzmacniaczami klasy G.

Problem ten został rozwiązany przez firmę Wolfson Microelectronics. Proponowane rozwiązanie to wzmacniacz klasy G o symbolu WM8900 w konfiguracji ground-referenced. Zagadnienie współpracy pomiędzy układem wzmacniacza i pompą zostało rozwiązane poprzez wprowadzenie nowego modelu pompy ładunkowej z dwoma wejściami: CPV_DDHI i CPV_DDLO (rys. 4). Wejścia pompy są połączone z dwoma niezależnymi źródłami napięcia, które są dostępne w większości spotykanych obecnie urządzeń zasilanych bateryjnie. Umożliwia to generowanie za pomocą pompy dwóch różnych napięć: V_POS i V_NEG.

Napięcia wyjściowe są uzależnione od dostępnych napięć wejściowych oraz od warunków pracy określanych przez wewnętrzne rozwiązania układowe. Przy pracy z dużą amplitudą sygnału akustycznego na wyjściach V_POS i V_NEG generowane są napięcia ±(CPV_DDHI/2). W przypadku małej amplitudy na wyjściach generowane są napięcia ±(CPV_DDLO/2).

WM8903

Wzmacniacz słuchawkowy klasy G to nie jedyne rozwiązanie proponowane przez Wolfson Microelectronics. Od niedawna firma oferuje także układ WM8903 określany jako wzmacniacz klasy W. W układzie tym pompa ładunkowa zawiera tylko jedno wejście, które zazwyczaj jest podłączone do źródła napięcia zasilania o wartości 1,8V oraz dwa wyjścia, które zapewniają symetryczne zasilanie wzmacniacza. Napięcia obu wyjść zmieniają się wraz ze zmianą poziomu głośności sygnału.

Układ adaptacyjnej pompy ładunkowej zaproponowany przez Wolfson Microelectronics ma jednak dodatkowe możliwości. W rytm zmian amplitudy sygnału akustycznego zmianie podlega także częstotliwość przełączania pompy. Ogranicza to starty przełączania i poprawia sprawność energetyczną układu w niemal równym stopniu jak zastosowanie wzmacniacza klasy G.

PSRR

Rys. 5. Filtr DP poprawiający współczynnik PSRR w układzie WM8903

Producent zapewnia, że wzmacniacz słuchawkowy WM8903 charakteryzuje się dużym współczynnikiem tłumienia tętnień zasilania PSRR (Power Supply Rejection Ratio), dzięki czemu nie ma konieczności wprowadzania dodatkowego stabilizatora LDO. Eliminacja dodatkowych stabilizatorów jest możliwa, ponieważ w obrębie układu są implementowane specjalne rozwiązania pozwalające na uzyskaniu dużego współczynnika PSRR.

Układy firmy Wolfson zawierają oddzielne struktury realizujące określone funkcje. Jedną z takich dodatkowych opcji jest możliwość oddziaływania na współczynnik PSRR. W tym celu zrealizowano specjalnie wydzielony fragment układu przedstawiony na rysunku 5.

Oprócz części dedykowanej do współpracy z mikrofonem, czyli końcówki MICBIAS, ten fragment układu WM8903 realizuje generację napięcia referencyjnego V_REF, które odpowiada napięciu na wyjściu V_MID. Napięcie referencyjne jest wykorzystywane przez różne elementy w obrębie całego układu WM8903. Napięcie na wyjściu V_MID powstaje z sygnału doprowadzonego do wejścia AV_DD w wyniku przetworzenia przy użyciu dzielnika rezystancyjnego. Możliwe są różne konfiguracje dzielnika. Pożądaną wartość napięcia na wyjściu VMID można uzyskać, stosując rezystory o wartościach 5kΩ, 50kΩ i 250kΩ.

Wybór jest uzależniony od ustawień rejestru VMID_MODE. Odpowiednio skonfigurowany dzielnik wraz z kondensatorem na wyjściu V_MID tworzy filtr dolnoprzepustowy, który wpływa na właściwości źródła napięcia referencyjnego V_REF generowanego w tym układzie. Wahania napięcia doprowadzanego na wejście AV_DD w mniejszym stopniu oddziałują na napięcie V_REF, poprawiając współczynnik PSRR całego układu.

Producent zaleca w pierwszej kolejności wybór wartości 50kΩ, a po naładowaniu kondensatora zmianę rezystancji dzielnika na 250kΩ. W przypadku kondensatora o pojemności 4,7µF zmiany rezystancji można dokonać po upływie około 1s. Taka kolejność jest uważana za optymalną i pozwala uzyskać najlepsze wyniki pod względem wartości współczynnika PSRR.

Podsumowanie

Wymagania stawiane przed wzmacniaczami słuchawkowymi obejmują przede wszystkim mały pobór mocy, który w czasie odtwarzania dźwięku powinien być rzędu pojedynczych mW, małe wymiary zewnętrzne, wysoką jakość dźwięku oraz przystępną cenę. By sprostać oczekiwaniom użytkowników, producenci rozwijają kolejne rozwiązania i wprowadzają na rynek nowe rodzaje wzmacniaczy.

Nie należy oczekiwać, aby w najbliższym czasie ta tendencja uległa zmianie. Sprostanie wszystkim wymogom jednocześnie nie jest proste, dlatego też najczęstszym rozwiązaniem pozostaje kompromis, co można zaobserwować na podstawie przykładów przedstawionych w artykule. Im więcej kwestii zostaje rozwiązanych w danym układzie, tym większe zainteresowanie użytkowników i większy udział w rynku.

Przedstawione rozwiązania wzmacniaczy słuchawkowych, zarówno tradycyjne, jak i te bardziej złożone, są oferowane przez różnych producentów. Mimo że standard dla wzmacniaczy słuchawkowych w urządzeniach przenośnych zaleca stosowanie wzmacniaczy typu ground-referenced, to na rynku można spotkać także i starsze, mniej zaawansowane rozwiązania.

Monika Jaworowska