音頻系統(tǒng)在手機與個人數(shù)字助理 (PDA)中的應(yīng)用與探討

　　音頻功率放大器在便攜式產(chǎn)品中的考慮因素

　　1)較高的PSRR

　　必須具有較高的Power supply rejection ratio (PSRR)，可以避免受到電源與布線噪聲的干擾。

　　2)快速的開關(guān)機(Fast turn on & off)

　　擁有長時間的待機時間，是手機或個人數(shù)字助理的基本要求，AB 類音頻放大器的效率約為50%至60%，D類音頻放大器的效率可達85%至90%。不管使用何種音頻放大器，為了節(jié)省功率消耗，在不需要用到音頻放大器時，均需進入待機狀態(tài)。然而當(dāng)一有聲音出現(xiàn)時，音頻放大器必須馬上進入開機狀態(tài)。

　　3)無“開關(guān)/切換噪音” (Click & Pop)

　　開關(guān)/切換噪音” 常出現(xiàn)于音頻放大器進入開關(guān)機時，或是由待機回復(fù)至正常狀態(tài)，或是217 Hz手機通信信號時。手機或個人數(shù)字助理的使用者絕不會希望聽到擾人的噪音，將“Click & Pop”消除電路加入音頻放大器中，是必備條件。

　　4）較低的工作電壓

　　為增長電池使用時間，常需低至1.8V，仍可工作。

　　5）低電流消耗與高效率

　　使用CMOS工藝的IC，可降低電流消耗。有時需選擇D類音頻放大器，目的是延長手機或個人數(shù)字助理的工作時間。

　　6）高輸出功率

　　在相同工作電壓下具有較高的輸出功率，即輸出信號的擺幅越接近Vcc與GND時，其輸出功率越高。

　　7）較小的封裝 (uSMD)

　　手機或個人數(shù)字助理的外觀越來越小巧，使得IC封裝技術(shù)越來越重要，uSMD為現(xiàn)今較常用到的封裝技術(shù)。

　　輸出功率的計算

　　單端式(Single-end)放大器如圖1所示，其增益為:

　　Gain = Rf/Ri

　　Rf：反饋電阻，Ri：輸入電阻

　　由輸出功率 = (VRMS)2/Rload，VRMS= Vpeak /21/2

　　因此單端式(Single-end)放大器輸出功率=(Vpeak)2/2Rload

　　橋接式(BTL)放大器如圖2所示，由兩個單端式(Single-end)放大器以相差180 組成，故其增益為：

　　Gain = 2Rf/Ri

　　Rf：反饋電阻，Ri：輸入電阻

　　由輸出功率 = (VRMS)2/Rload，橋接式VRMS= 2 Vpeak /21/2

　　因此：橋接式輸出功率 = 2 (Vpeak)2/Rload= 4 單端式放大器輸出功率

　　               圖2 橋接式放大器與作用于喇叭正負端的波形

　　輸入與輸出耦合電容值的選擇

　　如圖1，輸入電阻與輸入耦合電容形成一個高通濾波器，如欲得到較低的頻率響應(yīng)，則需選擇較大的電容值，關(guān)系可用以下公示表示。

　　fC = 1/2 (RI)(CI)

　　fC：高通濾波截止頻率，RI：輸入電阻

　　CI：輸入耦合電容值，此電容用來阻隔直流電壓并且將輸入信號耦合至放大器的輸入端。

　　在移動通信系統(tǒng)中，由于體積的限制，即使使用較大的輸入耦合電容值，揚聲器通常也無法顯示出50Hz以下的頻率響應(yīng)。因此，假設(shè)輸入電阻為20K ，只需輸入耦合電容值大于0.19 F即可。在此狀況下，0.22 F 是最適當(dāng)選擇。

　　就輸出耦合電容值的設(shè)定而言，同圖1中，如欲得到較佳的頻率響應(yīng)，電容值亦需選擇較大的容值，關(guān)系可用以下公式表示：

　　fC=1/2(RL)(CO)

　　fC：高通濾波截止頻率，RL：喇叭(耳機)的電阻，CO：輸出耦合電容值

　　例如，當(dāng)使用32 的耳機，如希望得到50Hz 的頻率響應(yīng)時，則需選擇99 F的輸出耦合電容值。在此狀況下，100 F是最適當(dāng)選擇。

　　散熱(Thermal)考慮

　　在設(shè)計單端式(Single-end)放大器或是橋接式(BTL)放大器時，功率消耗是主要考慮因素之一，增加輸出功率至負載，內(nèi)部功率消耗亦跟著增加。

　　橋接式(BTL)放大器的功率消耗可用以下公式表示:

　　PDMAX_BTL= 4(VDD)2/(2 2RL)

　　VDD：加于橋接式(BTL)放大器的電源電壓，RL ：負載電阻

　　例如，當(dāng)VDD=5V，RL=8 時，橋接式放大器的功率消耗為634mW。如負載電阻改成32 時，其內(nèi)部功率消耗降低至158mW。

　　而單端式(Single-end)放大器的功率消耗可用以下公式表示：

　　PDMAX_SE= (VDD)2/(2 2RL)

　　VDD：加于單端式(Single-end)放大器的電源電壓，RL：負載電阻，亦即單端式放大器的功率消耗僅為橋接式放大器的四分之一。所有的功率消耗加起來除以IC的熱阻( JA)即是溫升。

　　布線(Layout) 考慮

　　設(shè)計人員在布線上，有一些基本方針必須加以遵守，例如

　　1）所有信號線盡可能單點接地。

　　2）為避免兩信號互相干擾，應(yīng)避免平行走線，而以90 跨過方式布線。

　　3）數(shù)字電源，接地應(yīng)和模擬電源分開。

　　4）高速數(shù)字信號走線應(yīng)遠離模擬信號走線，也不可置于模擬元件下方。

　　3D增強立體聲的應(yīng)用

　　大部分人認為，“3D音效”既不是單聲道，也不是雙聲道，它是一種音頻的處理技術(shù)，使聆聽者在非實際的環(huán)境下，感覺到發(fā)出聲音的地點，這就必須非常講究揚聲器(喇叭)的放置位置與數(shù)目。但是在手機與個人數(shù)字助理中，無法放置如此多的揚聲器，因此發(fā)展出以兩個揚聲器加上運用硬件或軟件的方式來模擬“3D音效”，就是所謂的“3D增強立體聲音效”(3D Enhancement) 。

　　圖3為3D增強立體聲的音頻次系統(tǒng)方塊圖，用于立體聲手機或個人數(shù)字助理中，此音頻次系統(tǒng)由下列幾個部份組成：

　　1）后級放大器部分，包括一個立體聲揚聲器(喇叭)驅(qū)動器，一個立體聲耳機驅(qū)動器，一個單聲道耳機放大器 (earpiece)和一個用于免提聽筒的線路輸出 (line out) (例如汽車的免提聽筒電話輸出)。

　　2）音量控制，可提供分為 32 級的音量控制，而且左、右及單聲道的音量均可獨立控制。

　　3）混音器，用來選擇輸出與輸入音源的關(guān)系，可將立體聲及單聲道輸入傳送并混合在一起，將這些輸入分為 16 個不同的輸出模式，使系統(tǒng)設(shè)計工程師能夠靈活傳送混合單聲道及立體聲音頻信號，不會限定信號只能傳送給立體聲揚聲器或立體聲耳機。

　　4）電源控制與“開關(guān)/切換嘈音” 抑制電路。

　　5）3D增強立體聲使用的是硬件的方式。

　　6）使用I2C 兼容接口加以控制芯片的功能。

　　聲音在不同位置傳至左右耳朵時，會產(chǎn)生不同相位差。利用此相位差原理和硬件方法，便可以仿真出3D增強立體聲音效。即使系統(tǒng)在體積或設(shè)備上受到限制，而必需將左右喇叭擺放得很近時，仍然可以改善立體聲各個高低聲部的定位的種種問題。

　　                     圖3 3D增強立體聲音頻子系統(tǒng)方塊圖

　　如圖3的3D增強立體聲方塊圖所示，一個外接電阻與電容電路用以控制3D增強立體聲音效，用兩個獨立的電阻與電容電路來控制立體聲揚聲器與立體聲耳機，如此可達到最佳的3D增強立體聲效果。

　　在此電阻與電容電路中，3D增強立體聲效果的“量”是由R3D電阻來設(shè)定的，并且成反比關(guān)系，C3D電容用以設(shè)定3D增強立體聲效果的3dB低頻截止頻率，在低頻截止頻率以上才能顯現(xiàn)出3D增強立體聲效果，增加C3D電容值將降低低頻截止頻率，其關(guān)系可用以下公式表示：

　　f3D(-3dB)=1/2 (R3D)(C3D)

　　結(jié)論

　　由于移動電話與個人數(shù)字助理已發(fā)展為能夠提供各種不同娛樂的多功能便攜式設(shè)備，廠商們盡量采用高保真的音頻系統(tǒng)及壽命較長的電池，并使此類便攜式電子產(chǎn)品具備立體聲喇叭放大器，多種不同的混音，以及3D增強立體聲等功能，同時在外型上也盡量輕薄小巧。但其設(shè)計范疇仍不脫離以上所述基本原理，這就是本文所要表達的另一目的。