- 揚聲器放大器性能要求及解決方案
- 耳機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的揚聲器放大器及耳機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
對于智能手機而言，期望的揚聲器放大器應(yīng)當提供低電磁干擾（EMI），避免與智能手機中的其它射頻（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)鍵性能指標上也表現(xiàn)極佳。例如，這器件具有達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電路，用于智能手機及移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（MID）、導(dǎo)航設(shè)備、便攜游戲機及便攜式媒體播放器等應(yīng)用。
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耳機放大器性能要求及解決方案
智能手機用戶期望通過耳機欣賞具有高保真（Hi-Fi）品質(zhì)的音樂播放，這就要求耳機放大器具有低失真。由于耳機接近人耳，直接影響用戶的聽覺體驗，故耳機放大器須無可聽噪聲，此特性對于耳機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音頻質(zhì)量更高的要求，智能手機等便攜消費類設(shè)備需要高質(zhì)量的立體聲耳機放大器。而設(shè)計人員在設(shè)計立體聲耳機放大器輸出段時，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放大器，也推出集成了立體聲耳機放大器、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)量并保護揚聲器。NCP2704集成的耳機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。此功能可以改善串擾性能，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)電流立體聲耳機放大器NCP2815，延長智能手機音頻播放時間。 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”耳機放大器的音頻管理集成電路，藉I2C提供靈活的多工及布線。
