如何才能在音频应用中使用运算放大器实现负电源轨

我们都知道电荷泵芯片方案是最为简单且性价比较高的方案，但是适用于 200mA 以下负载电流的应用场景，专业音频产品系统产品中会使用到多种多样的运算放大器，ADC 和 DAC 等器件，这些器件有时候不仅需要正电源轨进行供电，还会需要负电源轨进行供电（例如常见的负电压值有 -5V，-12V 和 -15V 等），且对供电电源轨的噪声也相当有要求。除了噪声要求之外，根据专业音频产品的形态分类，电源轨部分的设计还会考虑效率，PCB 面积，成本等等因素。例如，带电池的产品中希望电源轨的高效率以延迟电池的使用时长; 手持式 / 便携式产品中希望电源轨的外围电路尽可能的简单以减小 PCB 面积从而满足产品的体积要求。

生成正电源轨的不同方案已经为大家所熟知，因此这篇博客主要跟大家分享一下不同的负电源轨生成方案，通过对比不同方案的优缺点，来帮助大家选择到适合自己产品的低噪声，高效率的负电源轨设计方案。

目前市面上可见的几种生成负电源轨的方案有：电荷泵芯片方案，使用升压芯片结合电荷泵电路的方案，降压芯片 VOUT 与 GND 反接方案，反向 BUCK-BOOST 芯片方案以及反向 BUCK 芯片方案 。其中反向降压芯片方案为 TI 独家方案。

电荷泵芯片方案：

电荷泵芯片通常内部组成主要为电容和开关，通过开关的开启关闭来控制电荷泵内部电容的充放电（即开关电容）来产生负输出电压。以下为 LM2776 的内部结构示意图为例，在充电阶段，S1 与 S3 开关闭合 （S2 和 S4 开关为断开状态），开关电容被连接在输入电压与地之间， 充电电容被充电到输入电压 VIN;在放电阶段，S2 和 S4 开关闭合 （S1 和 S3 为断开状态），此时开关电容的阳极接地，阴极接 VOUT，若负载电流为 0，VOUT 即为 -VIN。若负载电流不为 0，计算 VOUT 的值还需考虑 MOSFET 开关的寄生电阻，电容的 ESR 以及电容充放电时的电荷损失等。

电荷泵芯片产生负电源轨的外围电路也很简单，不需要电感元件，只需要几个常见的小电容，因此电荷泵芯片方案的成本也比较低。不过，在使用电荷泵芯片方案产生负电源轨的方案时，有两个点需要注意：

电荷泵芯片产生负电源轨的方案能驱动的负载电流比较小，通常最大负载电流在 200mA 左右， 若驱动大电流负载，VOUT 会急剧变化且芯片效率也会受影响。

使用普通的电荷泵芯片产生的负输出电压的纹波都会比较大，若需要给运放等对纹波有要求的模拟器件供电，还需要在负输出电压后添加一颗 LDO 芯片，以提高 PSRR， 降低纹波及噪声。

为了解决电荷泵芯片产生的负电源轨纹波大的问题，德州仪器在 LM2776 的基础上发展出了内部集成了一颗负 LDO 的电荷泵芯片， LM27761。下图为 LM27761 的典型应用示意图：

您还可以通过使用 TI 免费在线仿真软件 WEBENCH 来创建 LM27761 的定制设计，进行线上仿真，生成可导出的 PCB 文件及核算 BOM。如下方为使用 WEBENCH 设计出来的 LM27761 参考电路，VIN=5.5V， VOUT=-5V， IOUT=50mA。

此外， 在某些应用中，例如耳机等，敏感的模拟负载需要两个供电电压：一个正电压和一个负电压， 且两个供电电源轨都需要干净。如果电源输入端（例如单节锂电池）上存在一些噪声，正电压处也需要一个 LDO 才能将噪声降至可接受范围。此时，LM27762 是个不错的选择， 它的内部同时集成了正 LDO 与负 LDO，能同时产生正负两个低噪的输出电压给敏感器件供电。