本文將重點探討智能手機的揚聲器放大器及耳機放大器性能要求,，介紹安森美半導體相應的音頻放大解決方案,，以及集成了立體聲耳機放大器、D類揚聲器放大器及I²C控制的新的音頻子系統(tǒng)方案——音頻管理集成電路(AMIC),。

 

圖1：智能手機的音頻放大應用示意圖,。

 

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；亦要求導通及關閉期間無爆破音(pop)和嘀嗒音(click)噪聲,。

 

圖2：降低EMI的不同技術

 

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器件來導通/關閉音頻功率放大器,。對于智能手機應用而言，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技術沒有特定手段來應對。但要做到這一點,，可以采用兩種技術,，一是PWM擴頻調(diào)制(開關頻率變化)，一是帶斜坡控制的PWM(延緩上升/下降時間),。相比較而言,，斜坡控制技術比擴頻調(diào)制技術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)設備(MID),、導航設備,、便攜游戲機及便攜式媒體播放器等應用。

 

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備需要高質(zhì)量的立體聲耳機放大器,。而設計人員在設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,?？偟膩砜矗鎸嵔拥胤桨柑峁└褪д婕案》桨赋叽?，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重要,。NCP2815是安森美半導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 Ω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

安森美半導體身為應用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應商,，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),。

 

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,。設計人員采用安森美半導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,，設計人員采用安森美半導體提供的超低靜態(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。