近年來(lái)，智能手機(jī)集成的功能越來(lái)越多，但在基本的音頻放大應(yīng)用方面，在繼續(xù)優(yōu)化性能表現(xiàn)及用戶(hù)音頻體驗(yàn)方面仍有繼續(xù)提升的空間。原因是智能手機(jī)存在著特殊的音頻要求，例如：智能手機(jī)存在基帶/應(yīng)用處理器、調(diào)頻(FM)廣播、藍(lán)牙(耳機(jī))等多種音頻輸入源；編解碼器(CODEC)可以集成在模擬基帶中，也可獨(dú)立存在；多數(shù)情況下最少是揚(yáng)聲器放大器保持單獨(dú)存在(不集成)，從而提供足夠輸出功率；耳機(jī)放大器外置，配合高保真(Hi-Fi)音樂(lè)播放。
本文將重點(diǎn)探討智能手機(jī)的揚(yáng)聲器放大器及耳機(jī)放大器性能要求，介紹安森美半導(dǎo)體相應(yīng)的音頻放大解決方案，以及集成了立體聲耳機(jī)放大器、D類(lèi)揚(yáng)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(jī)的音頻放大應(yīng)用示意圖。
揚(yáng)聲器放大器性能要求及解決方案
對(duì)于智能手機(jī)而言，期望的揚(yáng)聲器放大器應(yīng)當(dāng)提供低電磁干擾(EMI)，避免與智能手機(jī)中的其它射頻(RF)電路產(chǎn)生干擾。就用戶(hù)的實(shí)際應(yīng)用而言，用戶(hù)有時(shí)候會(huì)想要在公共場(chǎng)合進(jìn)行免提語(yǔ)音通話(huà)，有時(shí)候會(huì)想要帶音頻播放的視頻觀看。這就要求揚(yáng)聲器放大器提供具有高識(shí)別度的輸出音量，同時(shí)提供低失真。此外，低噪聲也是所期望的揚(yáng)聲器放大器提供的重要特性。具體而言，這就要求揚(yáng)聲器放大器具有高電源抑制比(PSRR)，從而抑制GSM信號(hào)傳輸期間電池電壓波動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)分多址(TDMA)噪聲；亦要求導(dǎo)通及關(guān)閉期間無(wú)爆破音(pop)和嘀嗒音(click)噪聲。
圖2：降低EMI的不同技術(shù)
要滿(mǎn)足智能手機(jī)揚(yáng)聲器放大器的這些期望性能要求，D類(lèi)放大器是極佳選擇。如D類(lèi)放大器提供極低EMI，避免與其它RF電路產(chǎn)生干擾。實(shí)際上，D類(lèi)放大器將輸入的模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制(PWM)的脈沖信號(hào)，再以此脈沖信號(hào)控制開(kāi)關(guān)器件來(lái)導(dǎo)通/關(guān)閉音頻功率放大器。對(duì)于智能手機(jī)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(méi)有特定手段來(lái)應(yīng)對(duì)。但要做到這一點(diǎn)，可以采用兩種技術(shù)，一是PWM擴(kuò)頻調(diào)制(開(kāi)關(guān)頻率變化)，一是帶斜坡控制的PWM(延緩上升/下降時(shí)間)。相比較而言，斜坡控制技術(shù)比擴(kuò)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(lèi)放大器，采用斜坡控制技術(shù)來(lái)提供低EMI。此外，NCP2824藉單線(xiàn)(Single-Wire)接口提供可實(shí)時(shí)配置的自動(dòng)增益控制(AGC)功能。其自動(dòng)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(duì)于揚(yáng)聲器放大器而言，在智能手機(jī)的電池電壓很低條件下會(huì)出現(xiàn)削波，導(dǎo)致輸出擺幅減小及飽和。NCP2824的自動(dòng)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(huì)出現(xiàn)過(guò)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(hù)揚(yáng)聲器免受過(guò)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(dòng)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(biāo)上也表現(xiàn)極佳。例如，這器件具有達(dá)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(shí)PSSR為-72 dB。NCP2824還提供高達(dá)92%的能效，有助于延長(zhǎng)便攜設(shè)備電池使用時(shí)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(hù)電路，用于智能手機(jī)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(MID)、導(dǎo)航設(shè)備、便攜游戲機(jī)及便攜式媒體播放器等應(yīng)用。
耳機(jī)放大器性能要求及解決方案
智能手機(jī)用戶(hù)期望通過(guò)耳機(jī)欣賞具有高保真(Hi-Fi)品質(zhì)的音樂(lè)播放，這就要求耳機(jī)放大器具有低失真。由于耳機(jī)接近人耳，直接影響用戶(hù)的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)，故耳機(jī)放大器須無(wú)可聽(tīng)噪聲，此特性對(duì)于耳機(jī)放大器的重要性比對(duì)于揚(yáng)聲器放大器的重要性更高。此外，耳機(jī)放大器也要求具有高能效，幫助延長(zhǎng)音樂(lè)播放時(shí)間。
為了滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)耳機(jī)音頻質(zhì)量更高的要求，智能手機(jī)等便攜消費(fèi)類(lèi)設(shè)備需要高質(zhì)量的立體聲耳機(jī)放大器。而設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)立體聲耳機(jī)放大器輸出段時(shí)，需要從電容耦合及真實(shí)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?yàn)殡娫磧H為正輸出信號(hào)供電；但這種方案要使用大耦合電容(會(huì)滋生尺寸及成本問(wèn)題)，而且低頻時(shí)聲音品質(zhì)較差。相比較而言，真實(shí)接地方案無(wú)須使用耦合電容，具有良好的低頻響應(yīng)性能，且耳機(jī)真接地配合使用常規(guī)轉(zhuǎn)換器，但真實(shí)接地結(jié)構(gòu)的能效不高?？偟膩?lái)看，真實(shí)接地方案提供更低失真及更小方案尺寸，重點(diǎn)是要提高能效，幫助延長(zhǎng)音頻播放時(shí)間。
對(duì)于耳機(jī)放大器而言，為了提供舒適的聽(tīng)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(duì)于提高耳機(jī)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(jī)放大器，提供1.8 mA的超低靜態(tài)電流，幫助延長(zhǎng)音頻播放時(shí)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(cè)，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(fù)載為16Ω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(chǎng)上同類(lèi)器件尺寸最小的產(chǎn)品。
圖4：NCP2815“長(zhǎng)播放時(shí)間”立體聲耳機(jī)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(dú)立的高性能揚(yáng)聲器放大器及立體聲耳機(jī)放大器，也推出集成了立體聲耳機(jī)放大器、揚(yáng)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(yáng)聲器及耳機(jī)輸出的2路音頻輸入源之間提供靈活的布線(xiàn)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(lèi)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(dòng)增益控制功能，確保提供極佳音頻輸出質(zhì)量并保護(hù)揚(yáng)聲器。NCP2704集成的耳機(jī)放大器具有超低靜態(tài)電流消耗特性，幫助延長(zhǎng)音頻播放時(shí)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(jī)放大器的THD+N值僅為0.02%，揚(yáng)聲器放大器則為0.042%；相應(yīng)的耳機(jī)放大器電源抑制比為-100 dB，揚(yáng)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(lèi)音頻管理集成電路，主要功能與NCP2704類(lèi)似，但NCP2705增加了共模感測(cè)功能。此功能可以改善串?dāng)_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(jī)放大器為0.01%，揚(yáng)聲器放大器為0.017%。
圖6：帶共模感測(cè)功能的D類(lèi)音頻管理集成電路NCP2705框圖。
總結(jié)：
智能手機(jī)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(jì)人員采用安森美半導(dǎo)體提供的帶斜坡控制功能的D類(lèi)揚(yáng)聲器放大器NCP2824，能夠有效地降低對(duì)射頻電路的高頻EMI干擾，同時(shí)借助“不削波”自動(dòng)增益控制(AGC)功能確保揚(yáng)聲器播放音頻時(shí)提供低失真，及借助“功率限制器”AGC功能保護(hù)揚(yáng)聲器免受損壞。同時(shí)，設(shè)計(jì)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(jī)放大器NCP2815，延長(zhǎng)智能手機(jī)音頻播放時(shí)間。 而NCP2704和NCP2705均是帶低EMI D類(lèi)放大器、自動(dòng)增益控制和“長(zhǎng)播放時(shí)間”耳機(jī)放大器的音頻管理集成電路，藉I2C提供靈活的多工及布線(xiàn)。