一種新型音頻功放數字電調諧的ASIC實(shí)現

      本文介紹了一種新型具有數字音量調節功能音頻功放的工作原理和設計方法,并將設計應用于實(shí)際電路中,獲得了很好的效果. 采用按鍵式音量控制器操作方便,大幅降低了與此相關(guān)的軟件成本,應用前景廣闊.  

       音頻功放電路在實(shí)際應用中都要涉及到音量的電調諧問(wèn)題,而通過(guò)調節放大電路的增益來(lái)控制音頻放大電路的音量是比較有效的,目前應用比較多的有以下2 種實(shí)現方法: 1)模擬控制方法,這種方法一般是在面板上放置電阻器,通過(guò)手動(dòng)調節其大小來(lái)改變放大器增益. 這種方法的缺點(diǎn)是接觸表面易磨損,導致接觸不良,帶來(lái)比較大的噪聲;電阻調節大小也不容易精確控制;由于是外接電阻,需要較長(cháng)的引線(xiàn),也會(huì )帶來(lái)聲音的串擾. 2)通過(guò)D /A轉換和電流電壓變化器來(lái)實(shí)現, 這種方法電阻調解是比較平滑的,但不符合人的聽(tīng)覺(jué)習慣,增益的大小不是按指數變化的,所以也存在音量控制不平滑的缺點(diǎn). 本設計采用數字控制方法來(lái)實(shí)現音量的調諧,直接將控制電路集成在音頻電路中,節省了電路的面積,而且也可以精確控制音量. 

       1　工作原理和電路設計 

       這種方法是用變阻器控制音頻放大電路的增益并由此來(lái)實(shí)現音量的調節,而變阻器由數字電路來(lái)調節. 

       功放的增益是由反饋電阻與輸入電阻的比值決定的(如圖1). 因此,要調節功放增益的大小,只需調節兩個(gè)電阻Rf 和Ri 的比值就可以了.  

 

                          圖1　音頻放大電路 

       電阻調節的檔次和檔次間變化的大小可根據實(shí)際需要來(lái)確定,原理都是一致的. 在我們設計中,音量在- 33dB ～12dB 之間進(jìn)行調節,每次調節3dB,分16個(gè)檔. 要實(shí)現這一點(diǎn)就要有17個(gè)對應的電阻組成電阻網(wǎng)路,簡(jiǎn)單原理圖如圖2.這樣,選取合適的電阻值,利用控制開(kāi)關(guān)S-33～S12就可以并控制音量了.  



 

                           圖2　實(shí)現音量調節的電阻網(wǎng)路原理圖

       1. 1　電阻網(wǎng)絡(luò )設計 


       在實(shí)際的電路設計中,分壓電阻的選取是設計的一個(gè)關(guān)鍵. 人的聽(tīng)覺(jué)響應隨聲強的變化不是線(xiàn)性的,而是接近于對數式,當人感覺(jué)到聲音增加1倍時(shí),實(shí)際上聲強已經(jīng)增加了10倍. 所以在這里不能簡(jiǎn)單的利用等值的方法來(lái)選取,而是利用分貝( dB)數來(lái)取值. 下面給出電阻選取方法,這里設總電阻為R.  
 
        總結以上規律,可得到通項公式:  
 
       這樣就可以根據實(shí)際工藝條件和精度要求來(lái)選擇合適的電阻值. 我們在設計中采用的是注入電阻,將最終的調節精度誤差控制在10%以?xún)? 

       1. 2　電阻控制電路的工作原理及其ASIC設計 


        電阻Ri 和Rf 控制電路的結構主要分為POWER RESET電路,計數電路,譯碼電路,模擬開(kāi)關(guān)電路等幾部分. 上電以后利用對電容充放電的控制, 由POWER RESET電路在電源達到某一電平時(shí)產(chǎn)生一個(gè)信號給后面的D觸發(fā)器復位,并最終使增益復位為1,對應的音量為0dB,此時(shí)輸出與輸入幅值相同. 音量的增大和減小是由2個(gè)輸入信號CLOCK和UP/DOWN 來(lái)控制的, CLOCK一直為低電平或高電平時(shí)增益不發(fā)生變化,音量保持原值;當CLOCK上升沿的時(shí)候采集UP/DOWN狀態(tài)如果為高,計數器“加1”,通過(guò)后面的4 -16譯碼器選通模擬開(kāi)關(guān)的控制端S-33～S12中的一個(gè), S-33～S12分別連接不同阻值的電阻R1 ～R17的端點(diǎn). 反饋電阻Rf 增加、負向輸入電阻Ri 減小, 放大器增益增大,音量變大. 音量減小的控制方法正好和此相反. 

        電路實(shí)際設計中, 在復位后COUNTER 模塊在CLOCK、UP/DOWN信號的控制下,實(shí)現“加1” 或“減1”的功能提供給后面的譯碼電路,并通過(guò)后面4 - 16譯碼后為16個(gè)開(kāi)關(guān)提供輸入控制,模擬開(kāi)關(guān)( S-33 ～S12)是由16個(gè)傳輸門(mén)構成的. 為降低非工作狀態(tài)下無(wú)用的功率消耗,電路中還加入了SHARTDOWN模塊. 由以上原理設計出具體實(shí)現電路,電路的功能框圖如圖3所示:  

 


                    圖3　電阻控制電路的功能框圖 

      2　仿真和實(shí)際應用 

       應用SPECTRE仿真器對采用了數字音量調諧電路的音頻功放仿真,加入一個(gè)幅值為1 V,頻率為1kHz的正弦激勵信號,并調節CLOCK和UP /DOWN,得到圖4所示的曲線(xiàn). 



 
                          圖4　音頻功放仿真結果 

       從仿真結果得到的曲線(xiàn)我們可以看出,這種帶數字電調諧音頻電路在復位后能夠實(shí)現音量的16檔指數調節,而且如果在音量增大的過(guò)程中檢測到已經(jīng)達到最大值或減小的過(guò)程中檢測到已經(jīng)達到最小值,能夠保持. 實(shí)際設計中控制SHART2DOWN電流在0. 3μA以?xún)? 采用這種方法設計的音量調節器不僅僅可以應用在音頻放大電路芯片的設計中,也可以用在其他需要變阻器的地方.