放大其所不能:头戴式耳机到底需要多大功率?(第1部分)

这篇博文由Bharath Vasan和我共同撰写。

当我们打算为头戴式耳机应用创建一个运算放大器时(最后选用的是OPA1622运算放大器),我们需要解决的第一个问题就是确定头戴式耳机需要的功率。

将头戴式耳机和扬声器想象为把输入电气功率转换为可闻输出功率的变换器。与所有处理相类似,这个将电声转换过程具有一个与之相关的效率问题。正如你有可能已经想到的那样,不同头戴式耳机类型的效率也是不一样的。总的说来,包耳式耳机的效率要低于入耳式耳机。

头戴式耳机厂商通常以特定输入功率下(通常为1mW)的声压级([SPL],单位为分贝)来表示他们产品的效率。例如,一个耳机厂商也许将他们耳机的效率标明为100dB/wM,你应该将这个值读为“1mW时为100dB”。通过使用厂商给出的基准效率,你能够用方程式1计算出其它功率级别下产生的SPL:

在方程式1中,PIN 代表到耳机的输入功率,而η为1mW基准功率级别下的效率。图1显示的是,对于一定范围内的常见耳机效率,在输入功率不断增加时,提供的输出SPL。

 图1:对于不同耳机效率,产生的SPL与输入功率之间的关系

方程式1和图1中的曲线还包括一个假设,那就是耳机内驱动器的运行方式是线性的。当然,你不能一直增加耳机的输入功率,并且希望输出SPL不断地增加(可千万不要这么干)。在高输入功率下,驱动器本身内的非线性效应将会限制最大SPL。

一旦你已经建立起来了一个SPL目标,确定信号电平就只需要某些基本电气工程方程式了(方程式2和方程式3):

这两个方程式均包含标称耳机阻抗,RHP,它也由耳机厂商指定。为便携式电子设备设计的耳机具有低阻抗(低至16Ω),这是因为耳机上的低压信号将仍能提供足够的功率。对于那些非便携式应用中使用的耳机,比如说专业录音工作室中用到的耳机,它们的阻抗最高有可能达到600Ω。

让我们将所有这些信息应用于一个设计示例,针对一对常见的平板磁性包耳式耳机,计算出达到一个特定SPL所需要的信号电压和电流。

2:针对设计示例的技术规格目标值

使用方程式1或图1,首先确定达到SPL目标值所需的输入功率:

下一步,计算将这个功率量提供给耳机所需要的电压和电流:

在这个示例中,低阻抗耳机与低效率和非常响亮的最大SPL目标值之间的组合使我们的设计团队认识到了OPA1622设计中所面临的挑战。很明显,我们的放大器需要给某些耳机传送的电流量将是十分巨大的(以运算放大器标准来衡量的话)。在这一前提下,我们将注意力转向了OPA1622的输出电路。在不产生失真的情况下,这个电路需要能够传送大量电流。

在这个系列的后三篇文章中,我们将仔细看一看在耳机应用设计中遇到的其它难题,以及我们是如何在OPA1622的设计中克服它们的。

其它资源

  • 方程一与图1可以让消费者根据耳机厂商在耳机产品上的标注大致算出该副耳机的效率,真如所说的那样,OPA1622具有很低的噪声参数,做音频驱动非常合适。