音頻系統在手機與個(gè)人數字助理 (PDA)中的應用與探討

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(xiàn)噪聲的干擾。

2)快速的開(kāi)關(guān)機(fast turn on & off)

擁有長(cháng)時(shí)間的待機時(shí)間，是手機或個(gè)人數字助理的基本要求，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85%至90%。不管使用何種音頻放大器，為了節省功率消耗，在不需要用到音頻放大器時(shí)，均需進(jìn)入待機狀態(tài)。然而當一有聲音出現時(shí)，音頻放大器必須馬上進(jìn)入開(kāi)機狀態(tài)。

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

開(kāi)關(guān)/切換噪音” 常出現于音頻放大器進(jìn)入開(kāi)關(guān)機時(shí)，或是由待機回復至正常狀態(tài)，或是217 hz手機通信信號時(shí)。手機或個(gè)人數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(cháng)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(cháng)手機或個(gè)人數字助理的工作時(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)

手機或個(gè)人數字助理的外觀(guān)越來(lái)越小巧，使得ic封裝技術(shù)越來(lái)越重要，usmd為現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(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

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

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，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耦合至放大器的輸入端。

在移動(dòng)通信系統中，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(wú)法顯示出50hz以下的頻率響應。因此，假設輸入電阻為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 是最適當選擇。

就輸出耦合電容值的設定而言，同圖1中，如欲得到較佳的頻率響應，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，當使用32 的耳機，如希望得到50hz 的頻率響應時(shí)，則需選擇99 f的輸出耦合電容值。在此狀況下，100 f是最適當選擇。

散熱(thermal)考慮

在設計單端式(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，增加輸出功率至負載，內部功率消耗亦跟著(zhù)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vdd=5v，rl=8 時(shí)，橋接式放大器的功率消耗為634mw。如負載電阻改成32 時(shí)，其內部功率消耗降低至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(lái)除以ic的熱阻( ja)即是溫升。

布線(xiàn)(layout) 考慮

設計人員在布線(xiàn)上，有一些基本方針必須加以遵守，例如

1）所有信號線(xiàn)盡可能單點(diǎn)接地。

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

3）數字電源，接地應和模擬電源分開(kāi)。

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

3d增強立體聲的應用

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(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聲器(喇叭)的放置位置與數目。但是在手機與個(gè)人數字助理中，無(wú)法放置如此多的揚聲器，因此發(fā)展出以?xún)蓚€(gè)揚聲器加上運用硬件或軟件的方式來(lái)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方塊圖，用于立體聲手機或個(gè)人數字助理中，此音頻次系統由下列幾個(gè)部份組成：

1）后級放大器部分，包括一個(gè)立體聲揚聲器(喇叭)驅動(dòng)器，一個(gè)立體聲耳機驅動(dòng)器，一個(gè)單聲道耳機放大器 (earpiece)和一個(gè)用于免提聽(tīng)筒的線(xiàn)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(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，使系統設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(huì )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(kāi)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(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增強立體聲音效。即使系統在體積或設備上受到限制，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。

如圖3的3d增強立體聲方塊圖所示，一個(gè)外接電阻與電容電路用以控制3d增強立體聲音效，用兩個(gè)獨立的電阻與電容電路來(lái)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(lái)設定的，并且成反比關(guān)系，c3d電容用以設定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)

結論

由于移動(dòng)電話(huà)與個(gè)人數字助理已發(fā)展為能夠提供各種不同娛樂(lè )的多功能便攜式設備，廠(chǎng)商們盡量采用高保真的音頻系統及壽命較長(cháng)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增強立體聲等功能，同時(shí)在外型上也盡量輕薄小巧。但其設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。