如何設(shè)計(jì)可支持差分和單端信號(hào)的便攜式產(chǎn)品音頻接口

便攜式設(shè)備的數(shù)量發(fā)生爆炸性的增長,且新增諸多功能,帶有外置揚(yáng)聲器音頻播放功能的便攜式設(shè)備日益增加,例如MP3播放器、帶MP3功能或揚(yáng)聲器的手機(jī)以及便攜式CD播放器等。這些系統(tǒng)的輸出根據(jù)配置和驅(qū)動(dòng)的不同而各異。 但這些系統(tǒng)的輸出在配置和驅(qū)動(dòng)上都有所不同。作者在本文中探討了可以檢測并部署可將輸入信號(hào)放大到輸出相等信號(hào)的單端/差分音頻放大器的幾種方法。

MP3播放器或手機(jī)的輸出是單端信號(hào),可驅(qū)動(dòng)32Ω的耳機(jī)揚(yáng)聲器。典型外置揚(yáng)聲器系統(tǒng)的揚(yáng)聲器阻抗是4至8Ω,每個(gè)聲道可能會(huì)有多個(gè)揚(yáng)聲器。不過32Ω的驅(qū)動(dòng)器難以驅(qū)動(dòng)這些低阻抗揚(yáng)聲器,無法為終端用戶提供足夠的音量。

外部揚(yáng)聲器系統(tǒng)因品質(zhì)、音量及揚(yáng)聲器數(shù)目的不同而有所區(qū)別,因此通用放大器不適于驅(qū)動(dòng)這些揚(yáng)聲器。例如,MP3播放器的揚(yáng)聲器系統(tǒng)具有耳機(jī)插孔輸入端,并能支持單端輸出的立體聲信號(hào)。而某些新型高端揚(yáng)聲器系統(tǒng)則可支持差分信號(hào),為了后向兼容,這些新系統(tǒng)也必須能支持單端信號(hào)。

由于差分信號(hào)是單端信號(hào)的兩倍,因而單端信號(hào)和差分信號(hào)將產(chǎn)生不同的音量。由于人的聽力和聲音大小的關(guān)系符合對(duì)數(shù)曲線規(guī)律,因此不能采用線性的控制方式(圖1)。

圖1:音量與音頻系統(tǒng)的輸出功率之間不是線性關(guān)系。

對(duì)于可將輸入信號(hào)放大到與輸出相等信號(hào)的單端/差分音頻放大器,有幾種方法可以對(duì)其進(jìn)行檢測和實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)之間的接口連接器應(yīng)至少有5個(gè)引腳才能提供差分信號(hào)。需要注意的是,兩個(gè)器件之間的共地連接非常重要。表面上看,由于信號(hào)是直流隔離的,因而交流耦合電容無需接地,但實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明接地是提供理想噪聲性能所必需的。

第一個(gè)要解決的問題是檢測輸入是單端還是差分信號(hào)。在許多電路中,有兩種電路采用連接器的一個(gè)外部引腳來測試輸入信號(hào)的直流電平。指定連接器的一個(gè)外部引腳很容易,但對(duì)于空間狹小的應(yīng)用而言就不可行。源器件或使引腳開路或使其短接至地。

檢測差分信號(hào)的第二種方法,是利用比較器來檢測信號(hào)的直流電平,或是接地或是差分信號(hào)。以上兩種方法的輸入信號(hào)都必須通過低通濾波器。原始信號(hào)必須分離為其直流電平的50%至25%,如果系統(tǒng)在低頻、高峰峰值交流信號(hào)的差分模式下,將導(dǎo)致錯(cuò)誤的檢測結(jié)果。若原始信號(hào)的直流電平是地電平的話,這種技術(shù)也不能使用。圖2所示此類電路的實(shí)例。

電路的第二個(gè)部分是音頻放大器。該電路的解決方案和所需的聲音質(zhì)量有關(guān)。真正的差分輸入比進(jìn)入一個(gè)放大器的差分信號(hào)能提供更高的聲音質(zhì)量,實(shí)際的差分放大器需要一個(gè)附加電路將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸入信號(hào)。

音頻放大器最容易的實(shí)現(xiàn)方法是將信號(hào)輸入到一個(gè)放大器中(圖3)。在單端模式下,該差分輸入不產(chǎn)生信號(hào),允許正相輸入設(shè)置為0.5Vcc,這是標(biāo)準(zhǔn)的單端輸入配置。模擬開關(guān)保持在斷開狀態(tài),以使放大器輸出2倍的增益。在差分模式下,模擬開關(guān)閉合,增益變?yōu)?。因此對(duì)于不同的輸入模式,這兩種輸入信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生相同的輸出信號(hào)幅度。

圖3:音頻放大器的直接實(shí)現(xiàn)方法。

第二種實(shí)現(xiàn)方法是采用真正的差分放大器來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。這種放大器可提供較好的噪聲抑止。與前面的例子不同,此時(shí)輸入音頻放大器的信號(hào)必須是差分信號(hào)。差分信號(hào)可利用運(yùn)算放大器或變壓器來實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器的實(shí)現(xiàn)方法在尺寸方面較為便利,但對(duì)平衡輸入信號(hào)則存在困難(圖4)。該運(yùn)算放大器的增益為-1,以將單端輸入信號(hào)變成反向信號(hào)。模擬開關(guān)在輸入之間轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)音頻放大器的輸入。這種差分信號(hào)可以直接送入音頻放大器中。圖4是電路圖。

圖4:運(yùn)算放大器用于在差分音頻放大器中產(chǎn)生反向信號(hào)。

替代運(yùn)算放大器產(chǎn)生差分信號(hào)的另一個(gè)方法是采用1:1的變壓器。該變壓器可簡化電路,但增加了尺寸,特別是高度。需要注意的是,變壓器的頻率范圍必須處于系統(tǒng)能夠放大的音頻信號(hào)范圍之內(nèi)。原始的輸入信號(hào)必須采用交流旁路電容來使直流與地隔離。模擬開關(guān)用于使該放大器的增益在2倍(單端輸入)和1倍(差分輸入)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。變壓器電路的簡化實(shí)現(xiàn)方法如圖5所示。完整的電路還必須包括其它元件,以便平衡輸入。

圖5:變壓器簡化了差分信號(hào)的產(chǎn)生。

利用標(biāo)準(zhǔn)單旋電位計(jì)可有幾種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)音量的控制。如前所述,旋轉(zhuǎn)旋鈕時(shí),具有對(duì)數(shù)特性的電位計(jì)能產(chǎn)生平滑的音量控制。該電位計(jì)可以對(duì)電路進(jìn)行計(jì)數(shù),從而產(chǎn)生線性的響應(yīng)。對(duì)于差分輸入,單聲道系統(tǒng)需要2個(gè)電位計(jì),而立體聲系統(tǒng)則需要4個(gè)電位計(jì)。

最簡單的實(shí)現(xiàn)方法是在電位計(jì)中的輸入音頻信號(hào)和地之間放置一個(gè)電阻,滑動(dòng)端與音頻放大器的輸入相連接;瑒(dòng)端的輸出與輸入信號(hào)成比例。如果音頻放大器需要大電流輸入,則將影響音頻放大器的輸入電阻比例,因而不會(huì)產(chǎn)生期望的增益。當(dāng)電容與電位計(jì)阻抗相關(guān)時(shí),會(huì)出現(xiàn)其它問題,很可能產(chǎn)生旁路濾波器(在電位計(jì)中濾掉某些頻率的信號(hào))。

這個(gè)問題的一種解決方案是在電位計(jì)的滑動(dòng)端增加一個(gè)運(yùn)算放大器(圖6)。對(duì)于輸入端該電路呈現(xiàn)的是電位計(jì)的靜態(tài)阻抗。運(yùn)算放大器直接驅(qū)動(dòng)音頻放大器,因而消除了增益的不同。對(duì)該電路來說,由于音頻放大器無法真正實(shí)現(xiàn)軌至軌(rail-to-rai)輸出,因此電位計(jì)不能通過接地來消除輸出信號(hào)的噪聲。

圖6:在電位計(jì)上增加一個(gè)運(yùn)算放大器會(huì)影響音頻放大器的增益變化。

有幾種方法可實(shí)現(xiàn)支持單端和差分輸入的音頻系統(tǒng)。這些方法需要克服一些問題,特別是在牽涉到音量控制時(shí)。每種電路都有其優(yōu)點(diǎn),這取決于設(shè)計(jì)者的喜好和系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的輸出揚(yáng)聲器要求。

來源:電子產(chǎn)品世界網(wǎng)


微信掃描分享本文到朋友圈
掃碼關(guān)注5G通信官方公眾號(hào),免費(fèi)領(lǐng)取以下5G精品資料
  • 1、回復(fù)“YD5GAI”免費(fèi)領(lǐng)取《中國移動(dòng):5G網(wǎng)絡(luò)AI應(yīng)用典型場景技術(shù)解決方案白皮書
  • 2、回復(fù)“5G6G”免費(fèi)領(lǐng)取《5G_6G毫米波測試技術(shù)白皮書-2022_03-21
  • 3、回復(fù)“YD6G”免費(fèi)領(lǐng)取《中國移動(dòng):6G至簡無線接入網(wǎng)白皮書
  • 4、回復(fù)“LTBPS”免費(fèi)領(lǐng)取《《中國聯(lián)通5G終端白皮書》
  • 5、回復(fù)“ZGDX”免費(fèi)領(lǐng)取《中國電信5GNTN技術(shù)白皮書
  • 6、回復(fù)“TXSB”免費(fèi)領(lǐng)取《通信設(shè)備安裝工程施工工藝圖解
  • 7、回復(fù)“YDSL”免費(fèi)領(lǐng)取《中國移動(dòng)算力并網(wǎng)白皮書
  • 8、回復(fù)“5GX3”免費(fèi)領(lǐng)取《R1623501-g605G的系統(tǒng)架構(gòu)1
  • 本周熱點(diǎn)本月熱點(diǎn)

     

      最熱通信招聘

      最新招聘信息