如何設(shè)計(jì)可支持差分和單端信號(hào)的便攜式產(chǎn)品音頻接口

　　便攜式設(shè)備的數(shù)量發(fā)生爆炸性的增長(zhǎng)，且新增諸多功能，帶有外置揚(yáng)聲器音頻播放功能的便攜式設(shè)備日益增加，例如MP3播放器、帶MP3功能或揚(yáng)聲器的手機(jī)以及便攜式CD播放器等。這些系統(tǒng)的輸出根據(jù)配置和驅(qū)動(dòng)的不同而各異。 但這些系統(tǒng)的輸出在配置和驅(qū)動(dòng)上都有所不同。作者在本文中探討了可以檢測(cè)并部署可將輸入信號(hào)放大到輸出相等信號(hào)的單端/差分音頻放大器的幾種方法。

　　MP3播放器或手機(jī)的輸出是單端信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)32Ω的耳機(jī)揚(yáng)聲器。典型外置揚(yáng)聲器系統(tǒng)的揚(yáng)聲器阻抗是4至8Ω，每個(gè)聲道可能會(huì)有多個(gè)揚(yáng)聲器。不過(guò)32Ω的驅(qū)動(dòng)器難以驅(qū)動(dòng)這些低阻抗揚(yáng)聲器，無(wú)法為終端用戶提供足夠的音量。

　　外部揚(yáng)聲器系統(tǒng)因品質(zhì)、音量及揚(yáng)聲器數(shù)目的不同而有所區(qū)別，因此通用放大器不適于驅(qū)動(dòng)這些揚(yáng)聲器。例如，MP3播放器的揚(yáng)聲器系統(tǒng)具有耳機(jī)插孔輸入端，并能支持單端輸出的立體聲信號(hào)。而某些新型高端揚(yáng)聲器系統(tǒng)則可支持差分信號(hào)，為了后向兼容，這些新系統(tǒng)也必須能支持單端信號(hào)。
　　　


　　圖1：音量與音頻系統(tǒng)的輸出功率之間不是線性關(guān)系。

　　由于差分信號(hào)是單端信號(hào)的兩倍，因而單端信號(hào)和差分信號(hào)將產(chǎn)生不同的音量。由于人的聽力和聲音大小的關(guān)系符合對(duì)數(shù)曲線規(guī)律，因此不能采用線性的控制方式(圖1)。

　　對(duì)于可將輸入信號(hào)放大到與輸出相等信號(hào)的單端/差分音頻放大器，有幾種方法可以對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)之間的接口連接器應(yīng)至少有5個(gè)引腳才能提供差分信號(hào)。需要注意的是，兩個(gè)器件之間的共地連接非常重要。表面上看，由于信號(hào)是直流隔離的，因而交流耦合電容無(wú)需接地，但實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明接地是提供理想噪聲性能所必需的。

　　圖2：使用比較器電路的差分信號(hào)檢測(cè)。

　　第一個(gè)要解決的問(wèn)題是檢測(cè)輸入是單端還是差分信號(hào)。在許多電路中，有兩種電路采用連接器的一個(gè)外部引腳來(lái)測(cè)試輸入信號(hào)的直流電平。指定連接器的一個(gè)外部引腳很容易，但對(duì)于空間狹小的應(yīng)用而言就不可行。源器件或使引腳開路或使其短接至地。

　　檢測(cè)差分信號(hào)的第二種方法，是利用比較器來(lái)檢測(cè)信號(hào)的直流電平，或是接地或是差分信號(hào)。以上兩種方法的輸入信號(hào)都必須通過(guò)低通濾波器。原始信號(hào)必須分離為其直流電平的50%至25%，如果系統(tǒng)在低頻、高峰峰值交流信號(hào)的差分模式下，將導(dǎo)致錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)果。若原始信號(hào)的直流電平是地電平的話，這種技術(shù)也不能使用。圖2所示此類電路的實(shí)例。
       

　　圖3：音頻放大器的直接實(shí)現(xiàn)方法。

　　電路的第二個(gè)部分是音頻放大器。該電路的解決方案和所需的聲音質(zhì)量有關(guān)。真正的差分輸入比進(jìn)入一個(gè)放大器的差分信號(hào)能提供更高的聲音質(zhì)量，實(shí)際的差分放大器需要一個(gè)附加電路將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸入信號(hào)。

　　音頻放大器最容易的實(shí)現(xiàn)方法是將信號(hào)輸入到一個(gè)放大器中(圖3)。在單端模式下，該差分輸入不產(chǎn)生信號(hào)，允許正相輸入設(shè)置為0.5Vcc，這是標(biāo)準(zhǔn)的單端輸入配置。模擬開關(guān)保持在斷開狀態(tài)，以使放大器輸出2倍的增益。在差分模式下，模擬開關(guān)閉合，增益變?yōu)?。因此對(duì)于不同的輸入模式，這兩種輸入信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生相同的輸出信號(hào)幅度。

　　圖4：運(yùn)算放大器用于在差分音頻放大器中產(chǎn)生反向信號(hào)。

　　第二種實(shí)現(xiàn)方法是采用真正的差分放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。這種放大器可提供較好的噪聲抑止。與前面的例子不同，此時(shí)輸入音頻放大器的信號(hào)必須是差分信號(hào)。差分信號(hào)可利用運(yùn)算放大器或變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器的實(shí)現(xiàn)方法在尺寸方面較為便利，但對(duì)平衡輸入信號(hào)則存在困難(圖4)。該運(yùn)算放大器的增益為-1，以將單端輸入信號(hào)變成反向信號(hào)。模擬開關(guān)在輸入之間轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)音頻放大器的輸入。這種差分信號(hào)可以直接送入音頻放大器中。圖4是電路圖。

　　替代運(yùn)算放大器產(chǎn)生差分信號(hào)的另一個(gè)方法是采用1:1的變壓器。該變壓器可簡(jiǎn)化電路，但增加了尺寸，特別是高度。需要注意的是，變壓器的頻率范圍必須處于系統(tǒng)能夠放大的音頻信號(hào)范圍之內(nèi)。原始的輸入信號(hào)必須采用交流旁路電容來(lái)使直流與地隔離。模擬開關(guān)用于使該放大器的增益在2倍(單端輸入)和1倍(差分輸入)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。變壓器電路的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)方法如圖5所示。完整的電路還必須包括其它元件，以便平衡輸入。
       

　　圖5：變壓器簡(jiǎn)化了差分信號(hào)的產(chǎn)生。

　　利用標(biāo)準(zhǔn)單旋電位計(jì)可有幾種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)音量的控制。如前所述，旋轉(zhuǎn)旋鈕時(shí)，具有對(duì)數(shù)特性的電位計(jì)能產(chǎn)生平滑的音量控制。該電位計(jì)可以對(duì)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而產(chǎn)生線性的響應(yīng)。對(duì)于差分輸入，單聲道系統(tǒng)需要2個(gè)電位計(jì)，而立體聲系統(tǒng)則需要4個(gè)電位計(jì)。

　　最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是在電位計(jì)中的輸入音頻信號(hào)和地之間放置一個(gè)電阻，滑動(dòng)端與音頻放大器的輸入相連接。滑動(dòng)端的輸出與輸入信號(hào)成比例。如果音頻放大器需要大電流輸入，則將影響音頻放大器的輸入電阻比例，因而不會(huì)產(chǎn)生期望的增益。當(dāng)電容與電位計(jì)阻抗相關(guān)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)其它問(wèn)題，很可能產(chǎn)生旁路濾波器(在電位計(jì)中濾掉某些頻率的信號(hào))。
       

　　圖6：在電位計(jì)上增加一個(gè)運(yùn)算放大器會(huì)影響音頻放大器的增益變化。

　　這個(gè)問(wèn)題的一種解決方案是在電位計(jì)的滑動(dòng)端增加一個(gè)運(yùn)算放大器(圖6)。對(duì)于輸入端該電路呈現(xiàn)的是電位計(jì)的靜態(tài)阻抗。運(yùn)算放大器直接驅(qū)動(dòng)音頻放大器，因而消除了增益的不同。對(duì)該電路來(lái)說(shuō)，由于音頻放大器無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)軌至軌(rail-to-rai)輸出，因此電位計(jì)不能通過(guò)接地來(lái)消除輸出信號(hào)的噪聲。

　　有幾種方法可實(shí)現(xiàn)支持單端和差分輸入的音頻系統(tǒng)。這些方法需要克服一些問(wèn)題，特別是在牽涉到音量控制時(shí)。每種電路都有其優(yōu)點(diǎn)，這取決于設(shè)計(jì)者的喜好和系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的輸出揚(yáng)聲器要求。