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电路设计案例：耳机输出电路中的耦合电容设计

原创 电路啊 2023-03-29 07:31
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朋友让我看一块电路板，分析其耳机输出电路。
因为其中的输出耦合电容有6个这么多，有点奇怪。
耳机输出电路的实物外观长这样：


音频解码芯片（型号WM8988）输出音频信号，经过6个耦合电容，最终在耳机接口输出：

关键看靠近耳机接口部分的电路，其中的6个贴片MLCC电容引人注目：
复原电路原理图：
为什么用6个电容做耦合呢？下面开始分析。
一、首先简化电路
1、压敏电阻D1、D2是防静电使用，电路分析时可以将其忽略：
2、查询该主板上的音频解码芯片的规格书，发现其可推动16欧姆、32欧姆的耳机。而电阻R1、R2均为470欧姆，是耳机阻抗的十倍以上。并联使用时，主要体现为耳机本身的阻抗，大胆地将电阻R1、R2忽略：
3、由于左声道和右声道是对称的，留下其中一路分析就可以。以外接16欧姆的耳机为例，最后电路图简化如下：
这就是一个简单的高通滤波器！
二、接着理论计算
输入一个频率为f的信号ui，输出到电阻端的信号为uo：
当uo衰减为ui的0.707倍时，此时的频率f：
为什么是0.707倍，因为这个倍数时功率衰减为原来的一半。所以这个频率f也叫截止频率。
为什么是这个公式，感兴趣的话点赞本文告诉我，下一篇文章介绍是怎么推导出来的。
咱们继续，将R=16欧姆，C=66uF代入上式，算得频率f：

要知道人耳对声音的接收范围是20Hz到200KHz，这个电路板设计的低频理论值只到150.8Hz，相对20Hz似乎偏高。
三、进一步刨根问底
继续翻查音频解码芯片（型号WM8988）的数据手册：
数据手册给的参考设计是220uF，对应算出来的截至频率f为45Hz。
到这里基本知道本文分析的电路板，为什么使用6个贴片MLCC电容了：
因为：
1、这款产品的电路板结构受限制，不能用体积偏大的大容量铝电解电容：
2、能满足结构的钽电解电容，又太贵了：
所以最终采用了降成本的方案，用6个22uF的贴片MLCC电容，代替2个220uF大容量电容。
耦合电容的容量缩水，牺牲了低频效果，而且使用的贴片MLCC电容本身失真会比铝电解电容高。
至于实际的声音效果，听歌感觉还行。
四、提炼
请注意，这不是标准的电路方案，只是其中一款产品是这么设计的，作为案例供大家参考。
所谓：做硬件，堆经验。
案例看多了经验也就上去了。
五、最后
问题来了，电阻R1、R2在电路中起什么作用？
有人说“音频信号通过电容耦合输出的，要接一个对地电阻，不然电平会漂移。”
这个说法似乎还不够具体，欢迎大家留言讨论。
下次再见！

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