早在扩音技术发展的初期，耳机就已经可多功能收听音乐。经过多年的演变，耳机的大小已逐渐进化成共通的设定。现今差不多所有的耳机都采用一种名为TRS（尖端(tip)、环端(ring)、轮端(sleeve)）连接器的3.5公厘（标称为1/8英吋）三端子连接器。少部份的耳机采用比较大的1/4英吋（标称为6.3公厘）格式的TRS连接器。图一所示为TRS连接器，这款连接器最大的优点就是共通性，也就是说它几乎可以使用在市面上任何一个音讯或多媒体电子装置。
但随着这些耳机的应用日渐普遍，尤其是当有两个扬声器共用一个连接（或接地）时，共通性便成为了其中一种缺点。以可携式装置来说，现今大部份都是由单一正电源供电，而音讯的交流本质会使电源单极性与音讯讯号双极性之间的电子出现某种程度的电平移位。
电容耦合放大器输出
采用单一电源操作的耳机放大器可轻易透过耦合电容器来驱动有接地参考的耳机，如图二所示。图中的双通道放大器被偏置于中间电源，并且透过一对耦合电容器来驱动立体声耳机。
为这些电容器选择适当的电容值相对来说比较简单，可用以下的数式计算出来：
当中CMIN是最小的可用电容值，fC是所要求的低截止频率，而ZL是耳机的阻抗。举例来说，假如所要求的截止频率为100Hz，而负载阻抗是16时，所需的电容值便应为100μF。可是在实际的情况中，一般都会选用比标准高一级的数值以确保有足够的低音回应，同时将接近截止频率的失真推到较低的频率。
由于已知由输出电容器所造成的电平移位的极性，因此通常都会选用一个极化电容器。即使极化电容器具有很高的C-V密度，它们仍然是放大器系统中最大的物件，比连接器本身的体积更大。
虽然标准的运算放大器也可用作电容器耦合耳机放大器，但当它在开、关机时一般都会发出很吵杂的卡嗒声（click）或爆音（pop）。美国国家半导体LM48100放大器可以解决此一问题，它特别设有一个受控制的开机和关机程序，能够有效地消除这些令人讨厌的声音。
电容耦合放大器无疑是最便宜的耳机放大器电路，虽然放大器所省的成本与耦合电容器会相互抵销，但只要尺寸不是首要考虑的问题，那么设计人员一般都会选用电容器耦合耳机放大器。
无输出电容器(OTL)放大器
假如要改善驱动接地参考耳机的效果，其中一个方法便是用第三个放大器来驱动轮端（接地）的端子，如图三所示。图中的第三个放大器被偏置在中间电源，它将轮端驱动到一个固定的直流电压，从而使AC音讯讯号在中间电源电压的附近偏置。
OCL放大器的主要优点是其低音回应可以扩展到直流电源电压。这项功能对于大部份系统来说都难以达到，原因是电路的其他部份仍可能设有耦合电容器。然而，这些耦合电容器仍然可以在高出很多的阻抗下工作，例如是20k的级别，因此对这些电容器的尺寸和成本要求都是最低的。
OCL耳机放大器可算是最细小的系统，虽然与电容器耦合耳机放大器比较，其电路成本和功耗则较大。由于OCL耳机放大器拥有最佳的低音回应，因此对于那些尺寸要求比较严格或操作电压最小为2.5V的系统来说，OCL耳机放大器仍是最佳的选择。
有些系统在接端于接地以上偏置时会出现问题，当耳机的插口连接着其他的装置而不是耳机时，这个问题便会发生。假如有两个系统经一个地线参考（非隔离）接地共用一个接地，便可能有过大的电流流经套管的连接。
接地参考放大器输出
修正OCL耳机放大器的非接地轮端问题的一个方法是使用接地参考耳机放大器，如图4所示。当中放大器电路上的电荷泵浦会产生出一个负电压，这个电压表面上与正电源相等，但极性恰好相反。该接地参考耳机放大器会在正电源与负电源之间操作，从而使输出产生出一个交流音讯讯号。
与OCL耳机放大器比较，采用接地参考耳机放大器通常都会增加电路的成本，而且功耗大约是OCL的两倍。然而，接地参考耳机放大器也同样拥有极优的低音回应。由于接地参考耳机放大器能够有效地将电源增大一倍，因此即使电压低至1.4V，仍然能够产生出足够的输出功率（请参看附文「究竟多少功率才足够?」）。接地参考耳机放大器通常都会使用在那些尺寸要求很严格的系统，而且该系统的耳机插口可能需要连接到其他的装置中。
接地参考耳机放大器的最大缺点是功耗较大。电路中的电荷泵浦会从正电源提取电流，而由于电荷泵浦的效率损耗，其所提取的电流一般会比放大器的偏置电流稍微大一点。此外，电荷泵浦的另一个问题是它属于自振振荡电路（free running oscillator），可能会对邻近的电路产生些微的影响。即使这个开关（charge pump）频率本身处于听不到的范围内，电荷泵浦的频率仍可从负电源波动期间的音讯讯号中观察得知。
高性能耳机放大器
高性能耳机放大器可以提供优质的音效感受，如图五所示，系统是用使用双重电源来操作，典型是±5V到±15V，而两个电源均有稳压处理。电路中的高性能运算放大器会在一个共用回路内驱动一个高电流缓冲器，并在合成放大器电路周围回馈。
高性能耳机放大器的最大优点是它可将系统的两个主要部份隔开。输入放大器订立系统的整体音质。在这个例子中，THD+N为0.00003％的LM4562便可提供一个稳健的基础，而真正用来驱动低阻抗耳机的是一个LME49600高电流缓冲器。这方法可有效地消除来自精准控制电路的负载电流所引致的热梯度，情况就如一位芭蕾舞蹈员优雅地去控制如美式足球后卫一样发达的肌肉。
高性能耳机放大器最好是配合高质的音讯讯源使用，原因是这些放大器都是以高保真度来挂帅，至于成本、尺寸和功耗等问题都属次要。
最理想的音讯还原系统是用一个高性能、高取样率（即24位和192kHz）的音讯讯源来驱动一个动态范围最少有120dB的类比/数位转换器，而类比/数位转换器的输出可用来直接驱动高性能耳机放大器的输入，期间在类比的领域没有任何附加的讯号处理。 （请参看「耳机交叉供给」附文）。所有的音量控制均在微控制器的指令下由类比/数位转换器以数位形式来控制。在某些系统中，一个直流伺服会被建立在耳机放大器的周围以去除直流成份，从而消除所有音讯路径上的电容器。
不同耳机放大器的品质比较
依照消费者应用需要选择适合的耳机放大器其实是颇为简单。表一中的资料表示出系统普遍需要最佳化的参数，当中提供了针对不同拓墣技术的品质比较。
应用实例
采用1.2V/1.5V电池的数位音乐播放器
一个数位音乐播放器（DAP）要求有良好的音质和轻薄的尺寸，当它依靠单一颗电池来操作时，无论是最基本的碱性电池还是镍金属混合可充电电池，都难以有足够的输出功率。然而，配备有电源倍增电荷泵浦的接地参考放大器便是解决这个问题的最佳方案，它的电路尺寸不仅小，而且还有良好的低音回应。
采用锂离子电池的数位音乐播放器
采用锂离子（Li+或锂聚合物电池等）来操作的数位音乐播放器由于可获得较大的电源电压，因此可使用一个OCL耳机放大器。大部份的数位音乐放大器事实上在连接到电脑时都会把其类比耳机输出关闭，以解决轮端的偏置电压问题。除此之外，OCL放大器的其他优点还包括有相对较小的应用电路，也比一般的接地参考耳机放大器便宜。
配备立体声耳机的手机
手机市场现正划分为OCL与接地参考耳机放大器两个部份，这些采用锂离子来供电的手机，电压不成问题，可是有些手机具备有多个功能埠，这才是问题所在。当手机用作视频输入时，埠必须可承受一个负同步脉冲，而在容忍负脉冲的能力方面，接地参考耳机放大器可谓轻而易举。
手机或DAP功能扩展底座
现今不少的功能扩展底座在内里都设有足够的空间，因此电容器耦合耳机放大器的电容器尺寸就不再是一个问题。毫无疑问，这个拓墣架构对于较低阶的功能扩展底座来说是不错的选择，但对于比较高阶的产品，采用OCL或接地参考放大器可获得更佳的低音回应。事实上，高阶的功能扩展底座正是高性能耳机放大器锁定的市场。
结语
只要设计人员能够运用不同的放大器，便可轻易地克服来自一般耳机上TRS共用接地端子的限制，事实上每一种方法均有其优点，只要设计人员选择得宜，便可将设计最佳化和减少主要参数间取舍的程度。
--作者为美国国家半导体应用工程师
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