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        便攜式設備中音頻電路的設計要點
        文章來源: 更新時間:2010/3/23 13:42:00
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        在便攜式產品設計中很容易遇到與音頻相關的特殊問題,由于音頻電路看似簡單,規劃設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計入手,為工程設計人員提供一定的設計參考意見和方法。

        最后開啟音頻電路

        這個簡單的原則可能最為重要,但卻經常被系統設計者所忽略。功率放大器無法區分噪音、咔嗒聲和信號。如果過早地開啟功放,它會不加區分地放大所有輸入信號。便攜式產品播放電路通常包含數字信號存儲器、數模轉換器(DAC)、功放、揚聲器或耳機(圖1)。存儲器中的數字信號經過解碼后發送到DAC進行轉換,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動低阻揚聲器。如上所述,放大器使能后將放大進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的輸入和輸出偏置電壓。大多數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先設置好。在開啟功率放大器之前必須留出一定的時間間隔,以便建立適當的偏置電壓。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于一個衰減脈沖。該信號經過-放大器放大后進入揚聲器,產生可聞的咔嗒聲。

          

        圖2假定功率放大器已經開啟,并在DAC開啟之前已經建立輸入偏置。DAC使能后,節點A的電壓會爬升到如圖所示的DAC輸出偏置電壓。當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成的高通濾波器在節點B會產生一個毛刺,經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。

          

        低頻響應與輸入時間常數

        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可能導致輸出砰砰聲。假如放大器在輸入穩定之前開啟,就會導致砰砰聲。功率放大器輸入端的簡化模型中以RIN表示輸入阻抗,前置放大器的同相端連接到內部基準電壓,這個輸入結構是單電源功率放大器的典型結構。

         

        圖1:典型的音頻子系統。

         

        圖2:大尺寸耦合電容以及輸入、輸出偏置電壓共同導致揚聲器子系統的咔嗒聲。

        當放大器的/SHDN拉高之后,經過一個固定延時后放大器被激活。該延時稱為開啟時間(tON),在器件手冊的電特性部分有具體定義。圖3所示是當/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,但輸出級仍然關閉。輸入偏置電壓達到正常值的時間由電容CIN和放大器的輸入電阻(RIN)決定,合理設置放大器的開啟時間使其在輸出級開啟之前建立穩定的輸入偏置電壓。對于大多數功率放大器,開啟時間是固定的(圖3中,tON = 24ms)。

         

        圖3:選擇適當輸入耦合電容時,圖2電路的輸入、輸出波形。

         

        設置開啟時間時,IC設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,輸入電容由應用工程師選擇,以提供快速響應的時間常數并保證低頻響應盡可能平坦為目標。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tON并激活輸出端。如果在此過程中,被激活的輸出平穩開啟,揚聲器不會發出咔嗒聲。

        元件選擇

        圖4給出了選擇過大的CIN時的波形,所選電容是正常值的10倍。從波形看,CIN低頻響應相當平坦,但時間常數是原來的10倍。放大器的開啟時間固定為tON,所以當放大器的輸出已經開啟時,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,結果在揚聲器中產生一個大的輸出階躍,導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tON之前上升到最終值。以便在必要時留有一定的裕量來提高CIN。為了最終優化輸入電容,必須利用器件手冊提供RIN和tON進行一些實驗。

        了解揚聲器的低頻響應對于設計非常有幫助,如果功率放大器驅動的是很難恢復低頻信號的小尺寸揚聲器,最好將所有頻率分量發送到揚聲器。這種情況下,最佳選擇應該是標準的CIN值。揚聲器頻率響應曲線通?蓮膿P聲器廠家、數據手冊獲得,也可以向廠商索取。

        音量控制設計

        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置,或者是利用DAC或數字電位器的直流電壓進行調節。音量控制電路能夠幫助終端產品廠商優化開啟時間,如果實際應用需要特別的低頻響應,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將輸出保持關閉狀態,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ADC的輸入,加在VOL上的直流電壓通過ADC進行編碼,該編碼反映特定的增益電平。(VOL=VDD為完全關閉狀態,VOL=GND為最大音量狀態。)

         

        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置,直至/SHDN拉高并且超出tON延時,然后使VVOL緩慢變化(任何超出tON的等待時間都有助于輸入偏置的穩定)。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直流濾波。

        為了避免對音頻信號低頻成分產生大的衰減,要求使用大電容。如果設計者需要特別平坦的通帶響應,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負載條件下獲得低達50Hz的頻響。當放大器開啟時,如此大的電容也會導致開啟過程的咔嗒聲。隔直電容以及揚聲器的負載一起構成一個高通濾波器。當將直流偏置以階躍電壓形式加在隔直電容輸出端時,電容的負載端會同時升高,并且按照電容大小以及負載確定的時間常數衰減。這個脈沖信號通過揚聲器產生可聞雜音。

        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放大器包含一個內部反相電荷泵,由電荷泵為輸出級產生負電壓。通過正、負電源驅動輸出級,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放大器的動態范圍是傳統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立體聲音頻放大器;圖B為一款使用第三個放大器產生偏置電壓的“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有關。DirectDrive放大器的典型輸出失調電壓為±1mV至±5mV,啟動時小的失調電壓階躍僅產生極小的開啟瞬態響應,會被聽力敏感的人所覺察。

        設計D類放大器

        D類放大器產生開關輸出,音頻信息存儲在輸出信號的脈寬調制信號中,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。這種高速切換會在揚聲器線圈中產生大的瞬態電流,導致較強的電磁干擾(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,這根線能夠將EMI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制架構,也就是說零輸入時負載電壓不為零)。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。

         
         
         
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