- 揚聲器放大器性能要求及解決方案
- 耳機(jī)放大器性能要求及解決方案
- 音頻子系統(tǒng)方案——高集成度的音頻管理集成電路
由于智能手機(jī)存在多種音頻輸入源等原因造成的特殊音頻要求,智能手機(jī)的音頻輸出應(yīng)用需要低EMI、低失真、高電源抑制比及高能效的音頻放大方案。本文圖文解說智能手機(jī)的揚聲器放大器及耳機(jī)放大器的音頻放大解決方案。
揚聲器放大器性能要求及解決方案
對于智能手機(jī)而言,期望的揚聲器放大器應(yīng)當(dāng)提供低電磁干擾(EMI),避免與智能手機(jī)中的其它射頻(RF)電路產(chǎn)生干擾。就用戶的實際應(yīng)用而言,用戶有時候會想要在公共場合進(jìn)行免提語音通話,有時候會想要帶音頻播放的視頻觀看。這就要求揚聲器放大器提供具有高識別度的輸出音量,同時提供低失真。此外,低噪聲也是所期望的揚聲器放大器提供的重要特性。具體而言,這就要求揚聲器放大器具有高電源抑制比(PSRR),從而抑制GSM信號傳輸期間電池電壓波動產(chǎn)生的時分多址(TDMA)噪聲;亦要求導(dǎo)通及關(guān)閉期間無爆破音(pop)和嘀嗒音(click)噪聲。
圖1:智能手機(jī)的音頻放大應(yīng)用示意圖
圖2:降低EMI的不同技術(shù)
要滿足智能手機(jī)揚聲器放大器的這些期望性能要求,D類放大器是極佳選擇。如D類放大器提供極低EMI,避免與其它RF電路產(chǎn)生干擾。實際上,D類放大器將輸入的模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制(PWM)的脈沖信號,再以此脈沖信號控制開關(guān)器件來導(dǎo)通/關(guān)閉音頻功率放大器。對于智能手機(jī)應(yīng)用而言,要降低音頻輸出段的EMI,重要的是減少較高頻率的頻譜部分。傳統(tǒng)PWM技術(shù)沒有特定手段來應(yīng)對。但要做到這一點,可以采用兩種技術(shù),一是PWM擴(kuò)頻調(diào)制(開關(guān)頻率變化),一是帶斜坡控制的PWM(延緩上升/下降時間)。相比較而言,斜坡控制技術(shù)比擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)在減少較高頻率的頻譜方面更為有效,更有利于降低EMI。
安森美半導(dǎo)體的NCP2824 是一款2.8 W單聲道D類放大器,采用斜坡控制技術(shù)來提供低EMI。此外,NCP2824藉單線(Single-Wire)接口提供可實時配置的自動增益控制(AGC)功能。其自動增益控制功能包含兩種模式,分別是不削波(non-clipping)和功率限制器模式。對于揚聲器放大器而言,在智能手機(jī)的電池電壓很低條件下會出現(xiàn)削波,導(dǎo)致輸出擺幅減小及飽和。NCP2824的自動增益控制“不削波”功能可以維持低失真,可以選擇最大總諧波失真(THD)閾值。另一方面,在高輸出功率條件下會出現(xiàn)過高輸出功率,致使輸出擺幅減小及飽和。功率限制器功能限制放大器的輸出功率(可選擇最大輸出電壓閾值),保護(hù)揚聲器免受過高音量導(dǎo)致的損傷。
圖3:NCP2824支持不削波和功率限制器模式的自動增益控制
除了具有低EMI和低失真,NCP2824在音頻放大器的其它關(guān)鍵性能指標(biāo)上也表現(xiàn)極佳。例如,這器件具有達(dá)95 dB的優(yōu)異信噪比(SNR)性能,提供極佳的音頻表現(xiàn)。此外,NCP2824也具有極佳的電源抑制比(PSSR),217 Hz頻率時PSSR為-72 dB。NCP2824還提供高達(dá)92%的能效,有助于延長便攜設(shè)備電池使用時間。這器件采用2.5 V至5.5 V電壓工作,支持全差分輸入(從而消除輸入耦合電容),僅須使用1顆外部電容。這器件還提供短路保護(hù)電路,用于智能手機(jī)及移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(MID)、導(dǎo)航設(shè)備、便攜游戲機(jī)及便攜式媒體播放器等應(yīng)用。
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耳機(jī)放大器性能要求及解決方案
智能手機(jī)用戶期望通過耳機(jī)欣賞具有高保真(Hi-Fi)品質(zhì)的音樂播放,這就要求耳機(jī)放大器具有低失真。由于耳機(jī)接近人耳,直接影響用戶的聽覺體驗,故耳機(jī)放大器須無可聽噪聲,此特性對于耳機(jī)放大器的重要性比對于揚聲器放大器的重要性更高。此外,耳機(jī)放大器也要求具有高能效,幫助延長音樂播放時間。
為了滿足消費者對耳機(jī)音頻質(zhì)量更高的要求,智能手機(jī)等便攜消費類設(shè)備需要高質(zhì)量的立體聲耳機(jī)放大器。而設(shè)計人員在設(shè)計立體聲耳機(jī)放大器輸出段時,需要從電容耦合及真實接地(true ground)等不同選擇中選出更適合的方案。電容耦合方案的能效高,因為電源僅為正輸出信號供電;但這種方案要使用大耦合電容(會滋生尺寸及成本問題),而且低頻時聲音品質(zhì)較差。相比較而言,真實接地方案無須使用耦合電容,具有良好的低頻響應(yīng)性能,且耳機(jī)真接地配合使用常規(guī)轉(zhuǎn)換器,但真實接地結(jié)構(gòu)的能效不高??偟膩砜?,真實接地方案提供更低失真及更小方案尺寸,重點是要提高能效,幫助延長音頻播放時間。
對于耳機(jī)放大器而言,為了提供舒適的聽力水平,靜態(tài)功率(即靜態(tài)電流)就是其總體功耗的主要構(gòu)成部分。因此,將靜態(tài)電流降至最低對于提高耳機(jī)放大器的能效至關(guān)重要。NCP2815是安森美半導(dǎo)體推出的一款超低靜態(tài)電流(Iq)立體聲耳機(jī)放大器,提供1.8 mA的超低靜態(tài)電流,幫助延長音頻播放時間。
這器件還提供高阻抗(High Z)輸出模式,支持音頻插孔的音頻輸入/輸出。NCP2815支持共模感測,能夠消除接地環(huán)路噪聲。這器件支持1.6 V至3.6 V的寬電源電壓,采用1.8 V電壓供電、負(fù)載為16 ?條件下的功耗僅為20 mW,總諧波失真加噪聲(THD + N)小于0.01%。NCP2815提供-100 dB的高電源抑制比,提供固定內(nèi)部增益(-1.5 V/V)或外部可調(diào)節(jié)增益,還提供爆破音(pop)和嘀嗒音(click)噪聲消除電路。1.2 mm x 1.6 mm的CSP封裝使NCP2815成為市場上同類器件尺寸最小的產(chǎn)品。
圖4:NCP2815“長播放時間”立體聲耳機(jī)放大器框圖
音頻子系統(tǒng)方案——高集成度的音頻管理集成電路
安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商,不僅推出上述獨立的高性能揚聲器放大器及立體聲耳機(jī)放大器,也推出集成了立體聲耳機(jī)放大器、揚聲器放大器及I2C控制的音頻子系統(tǒng)方案——音頻管理集成電路(AMIC),在揚聲器及耳機(jī)輸出的2路音頻輸入源之間提供靈活的布線及多工(muxing),如NCP2704及NCP2705等。
圖5:音頻管理集成電路功能示意圖
其中,NCP2704是一款帶斜坡控制的PWM D類音頻管理集成電器,幫助有效降低EMI。這器件提供完全可編程的自動增益控制功能,確保提供極佳音頻輸出質(zhì)量并保護(hù)揚聲器。NCP2704集成的耳機(jī)放大器具有超低靜態(tài)電流消耗特性,幫助延長音頻播放時間。這器件還提供豐富的輸入/輸出多工控制,提高器件的靈活性。NCP2704集成的耳機(jī)放大器的THD+N值僅為0.02%,揚聲器放大器則為0.042%;相應(yīng)的耳機(jī)放大器電源抑制比為-100 dB,揚聲器放大器為-89 dB。NCP2704提供較寬且精確的增益選擇 (靜音及-60 dB至+12 dB)。
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NCP2705也是一款D類音頻管理集成電路,主要功能與NCP2704類似,但NCP2705增加了共模感測功能。此功能可以改善串?dāng)_性能,特別是在帶寄生電阻的FM調(diào)諧器的情形下。NCP2705的THD+N值更低,耳機(jī)放大器為0.01%,揚聲器放大器為0.017%。
圖6:帶共模感測功能的D類音頻管理集成電路NCP2705框圖
總結(jié):
智能手機(jī)等便攜產(chǎn)品的音頻輸出應(yīng)用需要低EMI、低失真、高電源抑制比及高能效的音頻放大方案。設(shè)計人員采用安森美半導(dǎo)體提供的帶斜坡控制功能的D類揚聲器放大器NCP2824,能夠有效地降低對射頻電路的高頻EMI干擾,同時借助“不削波”自動增益控制(AGC)功能確保揚聲器播放音頻時提供低失真,及借助“功率限制器”AGC功能保護(hù)揚聲器免受損壞。同時,設(shè)計人員采用安森美半導(dǎo)體提供的超低靜態(tài)電流立體聲耳機(jī)放大器NCP2815,延長智能手機(jī)音頻播放時間。 而NCP2704和NCP2705均是帶低EMI D類放大器、自動增益控制和“長播放時間”耳機(jī)放大器的音頻管理集成電路,藉I2C提供靈活的多工及布線。