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(kāi)關(guān)機(jī)(Fast turn on & off)

擁有長(zhǎng)時(shí)間的待機(jī)時(shí)間，是手機(jī)或個(gè)人數(shù)字助理的基本要求，AB 類(lèi)音頻放大器的效率約為50%至60%，D類(lèi)音頻放大器的效率可達(dá)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(shí)，均需進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。然而當(dāng)一有聲音出現(xiàn)時(shí)，音頻放大器必須馬上進(jìn)入開(kāi)機(jī)狀態(tài)。

3)無(wú)“開(kāi)關(guān)/切換噪音” (Click & Pop)

開(kāi)關(guān)/切換噪音” 常出現(xiàn)于音頻放大器進(jìn)入開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)，或是由待機(jī)回復(fù)至正常狀態(tài)，或是217 Hz手機(jī)通信信號(hào)時(shí)。手機(jī)或個(gè)人數(shù)字助理的使用者絕不會(huì)希望聽(tīng)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(zhǎng)電池使用時(shí)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(shí)需選擇D類(lèi)音頻放大器，目的是延長(zhǎng)手機(jī)或個(gè)人數(shù)字助理的工作時(shí)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(hào)的擺幅越接近Vcc與GND時(shí)，其輸出功率越高。

7）較小的封裝 (uSMD)

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

輸出功率的計(jì)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(gè)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

圖1 單端式(Single-end)放大器

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(fù)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(gè)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(lái)阻隔直流電壓并且將輸入信號(hào)耦合至放大器的輸入端。

在移動(dòng)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(yáng)聲器通常也無(wú)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(jī))的電阻，CO：輸出耦合電容值

例如，當(dāng)使用32 的耳機(jī)，如希望得到50Hz 的頻率響應(yīng)時(shí)，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(jì)單端式(Single-end)放大器或是橋接式(BTL)放大器時(shí)，功率消耗是主要考慮因素之一，增加輸出功率至負(fù)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(fù)載電阻

例如，當(dāng)VDD=5V，RL=8 時(shí)，橋接式放大器的功率消耗為634mW。如負(fù)載電阻改成32 時(shí)，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(fù)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(lái)除以IC的熱阻( JA)即是溫升。

布線(Layout) 考慮

設(shè)計(jì)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(hào)線盡可能單點(diǎn)接地。

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

3）數(shù)字電源，接地應(yīng)和模擬電源分開(kāi)。

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

3D增強(qiáng)立體聲的應(yīng)用

大部分人認(rèn)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(tīng)者在非實(shí)際的環(huán)境下，感覺(jué)到發(fā)出聲音的地點(diǎn)，這就必須非常講究揚(yáng)聲器(喇叭)的放置位置與數(shù)目。但是在手機(jī)與個(gè)人數(shù)字助理中，無(wú)法放置如此多的揚(yáng)聲器，因此發(fā)展出以?xún)蓚€(gè)揚(yáng)聲器加上運(yùn)用硬件或軟件的方式來(lái)模擬“3D音效”，就是所謂的“3D增強(qiáng)立體聲音效”(3D Enhancement) 。

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

1）后級(jí)放大器部分，包括一個(gè)立體聲揚(yáng)聲器(喇叭)驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)單聲道耳機(jī)放大器 (earpiece)和一個(gè)用于免提聽(tīng)筒的線路輸出 (line out) (例如汽車(chē)的免提聽(tīng)筒電話(huà)輸出)。

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

3）混音器，用來(lái)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(gè)不同的輸出模式，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠靈活傳送混合單聲道及立體聲音頻信號(hào)，不會(huì)限定信號(hào)只能傳送給立體聲揚(yáng)聲器或立體聲耳機(jī)。

4）電源控制與“開(kāi)關(guān)/切換嘈音” 抑制電路。

5）3D增強(qiáng)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(shí)，會(huì)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(qiáng)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(shí)，仍然可以改善立體聲各個(gè)高低聲部的定位的種種問(wèn)題。

圖3 3D增強(qiáng)立體聲音頻子系統(tǒng)方塊圖

如圖3的3D增強(qiáng)立體聲方塊圖所示，一個(gè)外接電阻與電容電路用以控制3D增強(qiáng)立體聲音效，用兩個(gè)獨(dú)立的電阻與電容電路來(lái)控制立體聲揚(yáng)聲器與立體聲耳機(jī)，如此可達(dá)到最佳的3D增強(qiáng)立體聲效果。

在此電阻與電容電路中，3D增強(qiáng)立體聲效果的“量”是由R3D電阻來(lái)設(shè)定的，并且成反比關(guān)系，C3D電容用以設(shè)定3D增強(qiáng)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(qiáng)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(dòng)電話(huà)與個(gè)人數(shù)字助理已發(fā)展為能夠提供各種不同娛樂(lè)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(zhǎng)的電池，并使此類(lèi)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(qiáng)立體聲等功能，同時(shí)在外型上也盡量輕薄小巧。但其設(shè)計(jì)范疇仍不脫離以上所述基本原理，這就是本文所要表達(dá)的另一目的。