便攜式設(shè)備中音頻電路的設(shè)計要點

在便攜式產(chǎn)品設(shè)計中很容易遇到與音頻相關(guān)的特殊問題，由于音頻電路看似簡單，規(guī)劃設(shè)計時工程師通常不會在相對低頻的音頻電路(20Hz至20KHz)中花費太多時間。本文試圖從最基本的音頻電路設(shè)計入手，為工程設(shè)計人員提供一定的設(shè)計參考意見和方法。

最后開啟音頻電路

這個簡單的原則可能最為重要，但卻經(jīng)常被系統(tǒng)設(shè)計者所忽略。功率放大器無法區(qū)分噪音、咔嗒聲和信號。如果過早地開啟功放，它會不加區(qū)分地放大所有輸入信號。便攜式產(chǎn)品播放電路通常包含數(shù)字信號存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、功放、揚聲器或耳機(圖1)。存儲器中的數(shù)字信號經(jīng)過解碼后發(fā)送到DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，DAC的模擬輸出通過電容交流耦合到功放的輸入端，放大器必須能夠提供足夠的電流驅(qū)動低阻揚聲器。如上所述，放大器使能后將放大進(jìn)入其輸入端的任何信號，包括有用信號、噪聲、咔嗒或嘭嘭聲。

如圖2所示，揚聲器放大器連接在8Ω揚聲器和音頻DAC之間。DAC輸出與功放之間的交流耦合電容是必需的，以保證兩個器件具有適當(dāng)?shù)妮斎牒洼敵銎秒妷?。大多?shù)音頻放大器的輸出端含有偏置電壓，為了可靠傳輸音頻信號需要將此偏置電壓預(yù)先設(shè)置好。在開啟功率放大器之前必須留出一定的時間間隔，以便建立適當(dāng)?shù)钠秒妷?。假如過早地開啟功率放大器，DAC輸出正處于爬升階段的偏置電壓對于放大器輸入來說相當(dāng)于一個衰減脈沖。該信號經(jīng)過-放大器放大后進(jìn)入揚聲器，產(chǎn)生可聞的咔嗒聲。

圖2假定功率放大器已經(jīng)開啟，并在DAC開啟之前已經(jīng)建立輸入偏置。DAC使能后，節(jié)點A的電壓會爬升到如圖所示的DAC輸出偏置電壓。當(dāng)DAC的偏置電壓爬升時，由耦合電容以及放大器的輸入電阻構(gòu)成的高通濾波器在節(jié)點B會產(chǎn)生一個毛刺，經(jīng)過放大器后的輸出信號等于輸入信號之間的差值[(IN＋)－(IN－)]乘以放大器的增益。

低頻響應(yīng)與輸入時間常數(shù)

用于隔離DAC的偏置電壓與功放輸入端口的輸入電容，與放大器的輸入阻抗一起構(gòu)成高通濾波器?？梢钥紤]使用較大容量的電容以降低低頻衰減，但由于功率放大器的輸入偏置電壓，增大了的輸入時間常數(shù)可能導(dǎo)致輸出砰砰聲。假如放大器在輸入穩(wěn)定之前開啟，就會導(dǎo)致砰砰聲。功率放大器輸入端的簡化模型中以R_IN表示輸入阻抗，前置放大器的同相端連接到內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，這個輸入結(jié)構(gòu)是單電源功率放大器的典型結(jié)構(gòu)。

圖1：典型的音頻子系統(tǒng)。

圖2：大尺寸耦合電容以及輸入、輸出偏置電壓共同導(dǎo)致?lián)P聲器子系統(tǒng)的咔嗒聲。

當(dāng)放大器的/SHDN拉高之后，經(jīng)過一個固定延時后放大器被激活。該延時稱為開啟時間(t_ON)，在器件手冊的電特性部分有具體定義。圖3所示是當(dāng)/SHDN拉高并且輸入電容為推薦值時，功率放大器輸入、輸出端的波形?？梢钥吹?，功率放大器的輸入偏置電壓在/SHDN拉高之后開始爬升，但輸出級仍然關(guān)閉。輸入偏置電壓達(dá)到正常值的時間由電容C_IN和放大器的輸入電阻(R_IN)決定，合理設(shè)置放大器的開啟時間使其在輸出級開啟之前建立穩(wěn)定的輸入偏置電壓。對于大多數(shù)功率放大器，開啟時間是固定的(圖3中，t_ON = 24ms)。

圖3：選擇適當(dāng)輸入耦合電容時，圖2電路的輸入、輸出波形。

設(shè)置開啟時間時，IC設(shè)計工程師必須考慮放大器的輸入阻抗以及輸入偏置電壓和輸入偏置電容，輸入電容由應(yīng)用工程師選擇，以提供快速響應(yīng)的時間常數(shù)并保證低頻響應(yīng)盡可能平坦為目標(biāo)。圖3的測試波形表明/SHDN引腳拉高后，輸入偏置電壓爬升到正常值，延遲t_ON并激活輸出端。如果在此過程中，被激活的輸出平穩(wěn)開啟，揚聲器不會發(fā)出咔嗒聲。

元件選擇

圖4給出了選擇過大的C_IN時的波形，所選電容是正常值的10倍。從波形看，C_IN低頻響應(yīng)相當(dāng)平坦，但時間常數(shù)是原來的10倍。放大器的開啟時間固定為t_ON，所以當(dāng)放大器的輸出已經(jīng)開啟時，輸入偏置電壓仍在上升！功率放大器將該電壓視為正常信號，并將其放大，結(jié)果在揚聲器中產(chǎn)生一個大的輸出階躍，導(dǎo)致令人反感的砰砰聲。請注意圖中示波器刻度是5V/div，而不是100mV/div。

圖4：電容增大10倍時，圖2電路的輸入、輸出波形。

以一個極端情況來說明這一點：我們選擇了一個比推薦值大得多的輸入電容。通常選擇輸入電容時會留出一定的裕量，以便使輸入偏置電壓在t_ON之前上升到最終值。以便在必要時留有一定的裕量來提高C_IN。為了最終優(yōu)化輸入電容，必須利用器件手冊提供R_IN和t_ON進(jìn)行一些實驗。

了解揚聲器的低頻響應(yīng)對于設(shè)計非常有幫助，如果功率放大器驅(qū)動的是很難恢復(fù)低頻信號的小尺寸揚聲器，最好將所有頻率分量發(fā)送到揚聲器。這種情況下，最佳選擇應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)的C_IN值。揚聲器頻率響應(yīng)曲線通?？蓮膿P聲器廠家、數(shù)據(jù)手冊獲得，也可以向廠商索取。

音量控制設(shè)計

越來越多的音頻IC帶有音量控制功能，可以通過串口編程設(shè)置，或者是利用DAC或數(shù)字電位器的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。音量控制電路能夠幫助終端產(chǎn)品廠商優(yōu)化開啟時間，如果實際應(yīng)用需要特別的低頻響應(yīng)，不可避免地要求使用大輸入電容，此時可以利用音量控制電路在一定時間內(nèi)將輸出保持關(guān)閉狀態(tài)，完成輸入偏置的建立。

圖5簡化電路是帶有音量控制功能的功率放大器，通過一個單獨引腳(VOL)控制該IC的音量，VOL引腳連接到粗調(diào)ADC的輸入，加在VOL上的直流電壓通過ADC進(jìn)行編碼，該編碼反映特定的增益電平。(VOL＝V_DD為完全關(guān)閉狀態(tài)，VOL＝GND為最大音量狀態(tài)。)

圖5：此AB類音頻功率放大器包含音量控制功能。

該類IC確保無咔嗒聲的最佳方式是保持音量在最小輸出設(shè)置，直至/SHDN拉高并且超出t_ON延時，然后使V_VOL緩慢變化(任何超出t_ON的等待時間都有助于輸入偏置的穩(wěn)定)。音量控制允許使用大電容，同時提供可接受的咔嗒/砰砰聲抑制特性(圖6)。需要說明的是，輸入電容增大10倍是一個極端情況，這里只是為了說明起見。

圖6：利用音頻IC的音量控制功能補償大尺寸輸入耦合電容。

輸出耦合電容

傳統(tǒng)的單電源放大器在輸出端會有一個直流偏置電壓，典型值為電源電壓的一半，饋入揚聲器之前需要將該直流分量從信號中去除(為了避免損壞音頻線圈)，通常需要較大的輸出電容來實現(xiàn)直流濾波。

為了避免對音頻信號低頻成分產(chǎn)生大的衰減，要求使用大電容。如果設(shè)計者需要特別平坦的通帶響應(yīng)，而且通帶拓展至較低頻率(小于100Hz)，則需選擇大尺寸且價格昂貴的輸出電容。例如100uF的電容，以便在32Ω負(fù)載條件下獲得低達(dá)50Hz的頻響。當(dāng)放大器開啟時，如此大的電容也會導(dǎo)致開啟過程的咔嗒聲。隔直電容以及揚聲器的負(fù)載一起構(gòu)成一個高通濾波器。當(dāng)將直流偏置以階躍電壓形式加在隔直電容輸出端時，電容的負(fù)載端會同時升高，并且按照電容大小以及負(fù)載確定的時間常數(shù)衰減。這個脈沖信號通過揚聲器產(chǎn)生可聞雜音。

為了消除咔嗒聲，最流行的方式是采用“無電容放大器”。通常，這樣的放大器使用另外一個放大器為揚聲器提供偏置，或配置成差分輸出(BTL)放大器。最好的無電容放大器可直接與揚聲器連接(Maxim稱其為DirectDrive)，并且不需要偏置放大器或差分輸出。

DirectDrive放大器包含一個內(nèi)部反相電荷泵，由電荷泵為輸出級產(chǎn)生負(fù)電壓。通過正、負(fù)電源驅(qū)動輸出級，因為輸出信號偏置在地電位，放大器不再需要為揚聲器提供偏壓。設(shè)計者可將兩個大的輸出耦合電容換成一對小的電荷泵電容。DirectDrive放大器的動態(tài)范圍是傳統(tǒng)放大器或偏置放大器的兩倍。

圖7A－7D展示了三款單電源放大器，圖A為輸出端使用隔直電容的傳統(tǒng)立體聲音頻放大器；圖B為一款使用第三個放大器產(chǎn)生偏置電壓的“無電容”放大器；圖C為信號通路上毋需任何電容的DirectDrive放大器；差分輸出放大器如圖D所示。

圖7：傳統(tǒng)單電源音頻放大器及新型“無電容”音頻放大器。

直接與揚聲器連接可以大大降低開機、關(guān)機時的咔嗒/砰砰聲。這種情況下，咔嗒聲僅與放大器的輸出失調(diào)有關(guān)。DirectDrive放大器的典型輸出失調(diào)電壓為1mV至5mV，啟動時小的失調(diào)電壓階躍僅產(chǎn)生極小的開啟瞬態(tài)響應(yīng)，會被聽力敏感的人所覺察。

設(shè)計D類放大器

D類放大器產(chǎn)生開關(guān)輸出，音頻信息存儲在輸出信號的脈寬調(diào)制信號中，與AB類放大器相比具有非常高的效率，但高效率是以成本為代價。為了獲得高效率，放大器的輸出級必須快速切換，使輸出晶體管快速通過線性區(qū)。這種高速切換會在揚聲器線圈中產(chǎn)生大的瞬態(tài)電流，導(dǎo)致較強的電磁干擾(EMI)。

為了降低EMI，需要盡可能縮短揚聲器與D類放大器的連線。最好將放大器放置在揚聲器附近，從而縮短揚聲器的引線長度，這根線能夠?qū)MI傳送到周圍電路。通常很難將功率放大器放在兩個揚聲器附近，因為揚聲器必須分開一定距離，以獲得有效的立體聲效果。為了在降低EMI的同時獲得立體聲效果，最好用兩個單聲道D類放大器代替立體聲放大器。

如果受成本限制不能選擇單聲道放大器，使用長線纜時采用鐵氧體磁珠可以很好地降低EMI。在每個D類放大器的輸出引腳使用一個廉價的鐵氧體磁珠和一個小的1nF電容即可降低EMI(假定D類放大器毋需濾波調(diào)制架構(gòu)，也就是說零輸入時負(fù)載電壓不為零)。圖8所示為輸出端包含鐵氧體濾波器的D類揚聲器放大器，圖中還提供了使用和未用鐵氧體濾波器時的輸出頻譜對照。

圖8：D類放大器在每個輸出端包含一個鐵氧體EMI磁珠，下方曲線給出了包含、未包含濾波器時的輸出頻譜對比。