苹果公司凭借一炮走红的iPod数字音乐播放机宣告了新一类个人娱乐设备的诞生:它们兼具非常紧凑的外形、很长的电池寿命以及相当出色的音响效果(由耳机提供)。显而易见,这三大特性是设计师难以兼顾的需求。怀疑者甚至指出,试图从便携式耳机中获得出众的音质本身就是个相悖的命题。但至少在采用类似MP3等压缩算法的应用设计中,iPod是成功的,尽管这些算法无论如何也不可能产生令Hi-Fi发烧友满意的音质。
作为苹果公司的关键供应商之一,Wolfson微电子公司接受了为iPod生产一款低成本、高效率且小巧的立体声D/A转换器和耳机驱动器的挑战,而且取得了成功。最近,该公司又推出了这种器件的第二代产品:集成了耳机驱动器的立体声D/A 转换器WM8759。
WM8759借鉴了Wolfson研制前一代产品时的经验,在维持D/A转换精度和音频质量的同时,大幅降低了静态功耗。
Wolfson表示,该器件瞄准的目标应用不仅是便携式数字音乐播放机,而且涵盖了由数字音频源驱动耳机的各类消费电子设备,包括诸如数字电视机等非便携式产品。因此,该公司没有为了追求便携性,而牺牲D/A精度、噪声指标或功放质量。
在性能指标方面,WM8759并没有遭遇特别大的挑战。当工作电压为2.7 V时,它的静态功耗低至20毫瓦。该器件最高工作于5.5 V,能为耳机提供高达50毫瓦的功率。它能以高达192 kHz的采样率支持16到24位输入,并把数据从可由软件配置的输入端口送到双数字内插滤波器,然后再送入分辨率为24位的多位∑-△调制器。该器件的总信噪比为100dB；当驱动线性负载时总谐波失真为-88 dB,当驱动16欧姆的耳机时为-72 dB。
“我们对自己的器件在iPod内的音频质量感到很满意,”Wolfson的项目负责人Ed Granville表示,“为了达到要求,我们首先采用的是A类放大器设计。但随着该器件对静态电流的要求变得更苛刻,A类不再是合适的选项。我们不得不转向AB类放大器,尽管它们存在固有的交越失真。”
不过,这看来并不是个问题。“对于第一级放大,业界有很好的现成技术来管理AB类放大器的交越失真,”Granville表示,“但这些技术都是在假定耳机为阻性负载的前提下建模的。”
为了确认这一点,Granville的开发团队要求便携式耳机制造商提供他们设备的模型。令人惊讶的是,这些供应商没有可用的模型,或者不愿意与他人共享这些模型。
所以Wolfson开始购买一些耳机,并采用它们进行基准测试。“我们立即发现,不同厂家的耳机之间存在很大的区别。”Granville说,“我们还发现,这些耳机不只是阻性负载,而是相当复杂的阻抗。”
这些实验数据使得放大器设计师开始重新修改设计。但至少,他们拥有了一些实际负载的精确测量模型。“WM8759的立体声放大器是长期实践的结果,”Granville宣称。对于耳机这样的电抗性负载来说,阻尼系数在晶体管放大器中永远是一个严重的问题,而且通常会被大量的负反馈所抑制。Granville表示,该公司特别小心地使输出晶体管的栅极电压足够高,以便在低信号电平的情况下也能够很好地控制负载。
但它并不是一个分立的晶体管放大器,而是一款带有片上DAC的芯片。这需要更多地依赖于Wolfson在隔离技术和布局布线方面的经验。功率晶体管必须像耳机一样被精确地建模,为此,设计人员需要特别注意寄生电容和栅极耦合。放大器必须与数字电路,特别是D/A部分隔开,解决方法为采用单独的供应电源和隔离布局,还需非常关注布局布线,特别是晶体管和电源走线。
WM8759采用14引脚SOIC封装,现已供货。
作者:张国勇
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