當我們打算為頭戴式耳機應(yīng)用創(chuàng)建一個運算放大器時(最后選用的是OPA1622運算放大器),我們需要解決的第一個問題就是確定頭戴式耳機需要的功率。
將頭戴式耳機和揚聲器想象為把輸入電氣功率轉(zhuǎn)換為可聞輸出功率的變換器。與所有處理相類似,這個將電聲轉(zhuǎn)換過程具有一個與之相關(guān)的效率問題。正如你有可能已經(jīng)想到的那樣,不同頭戴式耳機類型的效率也是不一樣的。總的說來,包耳式耳機的效率要低于入耳式耳機。
頭戴式耳機廠商通常以特定輸入功率下(通常為1mW)的聲壓級([SPL],單位為分貝)來表示他們產(chǎn)品的效率。例如,一個耳機廠商也許將他們耳機的效率標明為100dB/wM,你應(yīng)該將這個值讀為“1mW時為100dB”。通過使用廠商給出的基準效率,你能夠用方程式1計算出其它功率級別下產(chǎn)生的SPL:
在方程式1中,PIN 代表到耳機的輸入功率,而η為1mW基準功率級別下的效率。圖1顯示的是,對于一定范圍內(nèi)的常見耳機效率,在輸入功率不斷增加時,提供的輸出SPL。
圖1:對于不同耳機效率,產(chǎn)生的SPL與輸入功率之間的關(guān)系
方程式1和圖1中的曲線還包括一個假設(shè),那就是耳機內(nèi)驅(qū)動器的運行方式是線性的。當然,你不能一直增加耳機的輸入功率,并且希望輸出SPL不斷地增加(可千萬不要這么干)。在高輸入功率下,驅(qū)動器本身內(nèi)的非線性效應(yīng)將會限制最大SPL。
一旦你已經(jīng)建立起來了一個SPL目標,確定信號電平就只需要某些基本電氣工程方程式了(方程式2和方程式3):
這兩個方程式均包含標稱耳機阻抗,RHP,它也由耳機廠商指定。為便攜式電子設(shè)備設(shè)計的耳機具有低阻抗(低至16Ω),這是因為耳機上的低壓信號將仍能提供足夠的功率。對于那些非便攜式應(yīng)用中使用的耳機,比如說專業(yè)錄音工作室中用到的耳機,它們的阻抗最高有可能達到600Ω。
讓我們將所有這些信息應(yīng)用于一個設(shè)計示例,針對一對常見的平板磁性包耳式耳機,計算出達到一個特定SPL所需要的信號電壓和電流。
表2:針對設(shè)計示例的技術(shù)規(guī)格目標值
使用方程式1或圖1,首先確定達到SPL目標值所需的輸入功率:
下一步,計算將這個功率量提供給耳機所需要的電壓和電流:
在這個示例中,低阻抗耳機與低效率和非常響亮的最大SPL目標值之間的組合使我們的設(shè)計團隊認識到了OPA1622設(shè)計中所面臨的挑戰(zhàn)。很明顯,我們的放大器需要給某些耳機傳送的電流量將是十分巨大的(以運算放大器標準來衡量的話)。在這一前提下,我們將注意力轉(zhuǎn)向了OPA1622的輸出電路。在不產(chǎn)生失真的情況下,這個電路需要能夠傳送大量電流。
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