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(zhǎng),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(cè)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(guò)32Ω的驅(qū)動(dòng)器難以驅(qū)動(dòng)這些低阻抗揚(yáng)聲器,無(wú)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)。
圖1：音量與音頻系統(tǒng)的輸出功率之間不是線性關(guān)系。
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)。
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(cè)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(wú)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。
圖2：使用比較器電路的差分信號(hào)檢測(cè)。
第一個(gè)要解決的問題是檢測(cè)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(lái)測(cè)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(cè)差分信號(hào)的第二種方法,是利用比較器來(lái)檢測(cè)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(guò)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(cè)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。
圖3：音頻放大器的直接實(shí)現(xiàn)方法。
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)。
