高保真耳机驱动：差分放大器的稳定性设计与双反馈优化

1. 引言：高性能 DAC 后的最后“一公里”#

现代音频 DAC（如 ESS 或 TI 旗舰系列）能提供超过 110dB 的动态范围。然而，DAC 输出通常为微弱的差分信号，无法提供驱动低阻抗耳机（16Ω - 32Ω）所需的电流。耳机放大器的任务不仅是完成差分转单端（Diff-to-Single-Ended），更要在复杂的负载下保持极低的总谐波失真加噪声（THD+N）。

2. 耳机的复杂阻抗：不仅仅是电阻#

耳机常被简化为固定电阻，但其物理本质是电磁感应系统。

低频共振：在 100Hz 附近，驱动单元的机械谐振会导致阻抗剧增。
高频感性与容性：耳机线圈具有感性，而长长的耳机线缆则相当于一个 100pF 至 1000pF 的并联电容。

对于运算放大器而言，这个并联电容与运放的输出电阻结合，会在开环增益中产生一个额外的极点（Pole）。这会导致相位滞后超过 180°，使系统从负反馈转为正反馈，产生高频振荡，表现为耳机背景刺耳的噪声或运放发热。

3. 稳定性与音质的冲突：隔离电阻的代价#

传统的解决方法是在输出端串联一个隔离电阻（通常为 10Ω - 47Ω）。

优点：有效隔离容性负载，显著增加相位裕度。
致命伤：

阻尼系数下降：高输出阻抗削弱了对耳机单元的控制力，导致低频松散。
分压效应：输出电压随耳机阻抗波动，改变了原有的频响曲线。

4. 改进方案：双反馈拓扑（Out-of-Loop 补偿）#

为了实现“零输出阻抗”且保持稳定，我们可以将放入反馈环路内，并引入高频补偿通道。

4.1 电路逻辑解析#

该结构通过两路反馈协同工作：

直流/音频反馈：通过主反馈回路确保之后的电压准确，消除压降导致的失真。
交流补偿反馈：通过电阻和电容构成。

4.2 极点-零点对的补偿#

** 的作用**：在高频段，信号直接通过反馈到反相输入端。这会在环路中引入一个零点，抵消由负载电容产生的极点。
参数选择：以高性能运放 OPA1612 为例。通过调整和，我们可以使闭环增益在产生显著相移之前就开始下降，从而确保系统在驱动高容性线缆时仍有 >45° 的相位裕度。

5. 仿真验证与性能平衡#

在设计中，必须平衡环路带宽与稳定性：

如果过大，虽然极度稳定，但会限制音频带宽，并可能在 20kHz 附近引入相位失真。
推荐使用 SPICE 仿真工具进行 AC 稳定性分析。观察开环增益（Aol）与反馈系数（1/β）的交点速度（Rate of Closure）。如果交点处的斜率差为 20dB/decade，则系统绝对稳定。

6. 结论#

耳机放大器的设计是一场与“寄生参数”的博弈。通过双反馈拓扑，我们巧妙地将隔离电阻隔离在音频路径之外，实现了：

超低输出阻抗（保持原汁原味的频响）。
极高的稳定性（无视长线缆电容）。
优秀的失真控制（充分发挥 DAC 性能）。