便携式设备中音频电路的设计要点范文

2024-04-18

便携式设备中音频电路的设计要点范文（通用5篇）

篇1：便携式设备中音频电路的设计要点范文

在便携式产品设计中很容易遇到与音频相关的特殊问题，由于音频电路看似简单，规划设计时工程师通常不会在相对低频的音频电路(20Hz至20KHz)中花费太多时间。本文试图从最基本的音频电路设计入手，为工程设计人员提供一定的设计参考意见和方法。

最后开启音频电路

这个简单的原则可能最为重要，但却经常被系统设计者所忽略。功率放大器无法区分噪音、咔嗒声和信号。如果过早地开启功放，它会不加区分地放大所有输入信号。便携式产品播放电路通常包含数字信号存储器、数模转换器(DAC)、功放、扬声器或耳机(图1)。存储器中的数字信号经过解码后发送到DAC进行转换，DAC的模拟输出通过电容交流耦合到功放的输入端，放大器必须能够提供足够的电流驱动低阻扬声器。如上所述，放大器使能后将放大进入其输入端的任何信号，包括有用信号、噪声、咔嗒或嘭嘭声。

如图2所示，扬声器放大器连接在8Ω扬声器和音频DAC之间。DAC输出与功放之间的交流耦合电容是必需的，以保证两个器件具有适当的输入和输出偏置电压。大多数音频放大器的输出端含有偏置电压，为了可靠传输音频信号需要将此偏置电压预先设置好。在开启功率放大器之前必须留出一定的时间间隔，以便建立适当的偏置电压。假如过早地开启功率放大器，DAC输出正处于爬升阶段的偏置电压对于放大器输入来说相当于一个衰减脉冲。该信号经过-放大器放大后进入扬声器，产生可闻的咔嗒声。

图2假定功率放大器已经开启，并在DAC开启之前已经建立输入偏置。DAC使能后，节点A的电压会爬升到如图所示的DAC输出偏置电压。当DAC的偏置电压爬升时，由耦合电容以及放大器的输入电阻构成的高通滤波器在节点B会产生一个毛刺，经过放大器后的输出信号等于输入信号之间的差值[(IN＋)－(IN－)]乘以放大器的增益。

低频响应与输入时间常数

用于隔离DAC的偏置电压与功放输入端口的输入电容，与放大器的输入阻抗一起构成高通滤波器。可以考虑使用较大容量的电容以降低低频衰减，但由于功率放大器的输入偏置电压，增大了的输入时间常数可能导致输出砰砰声。假如放大器在输入稳定之前开启，就会导致砰砰声。功率放大器输入端的简化模型中以RIN表示输入阻抗，前置放大器的同相端连接到内部基准电压，这个输入结构是单电源功率放大器的典型结构。

图1：典型的音频子系统。

图2：大尺寸耦合电容以及输入、输出偏置电压共同导致扬声器子系统的咔嗒声。

当放大器的/SHDN拉高之后，经过一个固定延时后放大器被激活。该延时称为开启时间(tON)，在器件手册的电特性部分有具体定义。图3所示是当/SHDN拉高并且输入电容为推荐值时，功率放大器输入、输出端的波形。可以看到，功率放大器的输入偏置电压在/SHDN拉高之后开始爬升，但输出级仍然关闭。输入偏置电压达到正常值的时间由电容CIN和放大器的输入电阻(RIN)决定，合理设置放大器的开启时间使其在输出级开启之前建立稳定的输入偏置电压。对于大多数功率放大器，开启时间是固定的(图3中，tON = 24ms)。

图3：选择适当输入耦合电容时，图2电路的输入、输出波形。

设置开启时间时，IC设计工程师必须考虑放大器的输入阻抗以及输入偏置电压和输入偏置电容，输入电容由应用工程师选择，以提供快速响应的时间常数并保证低频响应尽可能平坦为目标。图3的测试波形表明/SHDN引脚拉高后，输入偏置电压爬升到正常值，延迟tON并激活输出端。如果在此过程中，被激活的输出平稳开启，扬声器不会发出咔嗒声。

元件选择

图4给出了选择过大的CIN时的波形，所选电容是正常值的10倍。从波形看，CIN低频响应相当平坦，但时间常数是原来的10倍。放大器的开启时间固定为tON，所以当放大器的输出已经开启时，输入偏置电压仍在上升！功率放大器将该电压视为正常信号，并将其放大，结果在扬声器中产生一个大的输出阶跃，导致令人反感的砰砰声。请注意图中示波器刻度是5V/div，而不是100mV/div。

图4：电容增大10倍时，图2电路的输入、输出波形。

以一个极端情况来说明这一点：我们选择了一个比推荐值大得多的输入电容。通常选择输入电容时会留出一定的裕量，以便使输入偏置电压在tON之前上升到最终值。以便在必要时留有一定的裕量来提高CIN。为了最终优化输入电容，必须利用器件手册提供RIN和tON进行一些实验。

了解扬声器的低频响应对于设计非常有帮助，如果功率放大器驱动的是很难恢复低频信号的小尺寸扬声器，最好将所有频率分量发送到扬声器。这种情况下，最佳选择应该是标准的CIN值。扬声器频率响应曲线通常可从扬声器厂家、数据手册获得，也可以向厂商索取。

音量控制设计

越来越多的音频IC带有音量控制功能，可以通过串口编程设置，或者是利用DAC或数字电位器的直流电压进行调节。音量控制电路能够帮助终端产品厂商优化开启时间，如果实际应用需要特别的低频响应，不可避免地要求使用大输入电容，此时可以利用音量控制电路在一定时间内将输出保持关闭状态，完成输入偏置的建立。图5简化电路是带有音量控制功能的功率放大器，通过一个单独引脚(VOL)控制该IC的音量，VOL引脚连接到粗调ADC的输入，加在VOL上的直流电压通过ADC进行编码，该编码反映特定的增益电平。(VOL＝VDD为完全关闭状态，VOL＝GND为最大音量状态。)

图5：此AB类音频功率放大器包含音量控制功能。

该类IC确保无咔嗒声的最佳方式是保持音量在最小输出设置，直至/SHDN拉高并且超出tON延时，然后使VVOL缓慢变化(任何超出tON的等待时间都有助于输入偏置的稳定)。音量控制允许使用大电容，同时提供可接受的咔嗒/砰砰声抑制特性(图6)。需要说明的是，输入电容增大10倍是一个极端情况，这里只是为了说明起见。

图6：利用音频IC的音量控制功能补偿大尺寸输入耦合电容。

输出耦合电容

传统的单电源放大器在输出端会有一个直流偏置电压，典型值为电源电压的一半，馈入扬声器之前需要将该直流分量从信号中去除(为了避免损坏音频线圈)，通常需要较大的输出电容来实现直流滤波。

为了避免对音频信号低频成分产生大的衰减，要求使用大电容。如果设计者需要特别平坦的通带响应，而且通带拓展至较低频率(小于100Hz)，则需选择大尺寸且价格昂贵的输出电容。例如100uF的电容，以便在32Ω负载条件下获得低达50Hz的频响。当放大器开启时，如此大的电容也会导致开启过程的咔嗒声。隔直电容以及扬声器的负载一起构成一个高通滤波器。当将直流偏置以阶跃电压形式加在隔直电容输出端时，电容的负载端会同时升高，并且按照电容大小以及负载确定的时间常数衰减。这个脉冲信号通过扬声器产生可闻杂音。

为了消除咔嗒声，最流行的方式是采用“无电容放大器”。通常，这样的放大器使用另外一个放大器为扬声器提供偏置，或配置成差分输出(BTL)放大器。最好的无电容放大器可直接与扬声器连接(Maxim称其为DirectDrive)，并且不需要偏置放大器或差分输出。

DirectDrive放大器包含一个内部反相电荷泵，由电荷泵为输出级产生负电压。通过正、负电源驱动输出级，因为输出信号偏置在地电位，放大器不再需要为扬声器提供偏压。设计者可将两个大的输出耦合电容换成一对小的电荷泵电容。DirectDrive放大器的动态范围是传统放大器或偏置放大器的两倍。图7A－7D展示了三款单电源放大器，图A为输出端使用隔直电容的传统立体声音频放大器；图B为一款使用第三个放大器产生偏置电压的“无电容”放大器；图C为信号通路上毋需任何电容的DirectDrive放大器；差分输出放大器如图D所示。

图7：传统单电源音频放大器及新型“无电容”音频放大器。

直接与扬声器连接可以大大降低开机、关机时的咔嗒/砰砰声。这种情况下，咔嗒声仅与放大器的输出失调有关。DirectDrive放大器的典型输出失调电压为±1mV至±5mV，启动时小的失调电压阶跃仅产生极小的开启瞬态响应，会被听力敏感的人所觉察。

设计D类放大器

D类放大器产生开关输出，音频信息存储在输出信号的脉宽调制信号中，与AB类放大器相比具有非常高的效率，但高效率是以成本为代价。为了获得高效率，放大器的输出级必须快速切换，使输出晶体管快速通过线性区。这种高速切换会在扬声器线圈中产生大的瞬态电流，导致较强的电磁干扰(EMI)。

为了降低EMI，需要尽可能缩短扬声器与D类放大器的连线。最好将放大器放置在扬声器附近，从而缩短扬声器的引线长度，这根线能够将EMI传送到周围电路。通常很难将功率放大器放在两个扬声器附近，因为扬声器必须分开一定距离，以获得有效的立体声效果。为了在降低EMI的同时获得立体声效果，最好用两个单声道D类放大器代替立体声放大器。

如果受成本限制不能选择单声道放大器，使用长线缆时采用铁氧体磁珠可以很好地降低EMI。在每个D类放大器的输出引脚使用一个廉价的铁氧体磁珠和一个小的1nF电容即可降低EMI(假定D类放大器毋需滤波调制架构，也就是说零输入时负载电压不为零)。图8所示为输出端包含铁氧体滤波器的D类扬声器放大器，图中还提供了使用和未用铁氧体滤波器时的输出频谱对照。

图8：D类放大器在每个输出端包含一个铁氧体EMI磁珠，下方曲线给出了包含、未包含滤波器时的输出频谱对比。

作者：

Mark Cherry

策略应用工程师

多媒体事业部

Maxim公司

篇2：便携式设备中音频电路的设计要点范文

LM48901和配套的软件工具以易用的音效编程解决了这个问题,可以将小声场转换成身临其境的声音体验,制造商可以在整个产品组合中采用这一技术,从平板电脑到2～16个扬声器的条形音箱。

主要特点与优势

·完整的音频解决方案:该IC集成了空间处理DSP、4个D类放大器、18 bit立体声模数转换器(ADC)、锁相环(PLL),以及I2S和I2C接口。

·简化了音效编程:易于使用的软件工具无需算法调整和内部DSP专家,加快了开发速度。

·身临其境的音效:无论物理系统大小,都可以提供优于竞争解决方案的扩展声场,实现差异化的产品。

·灵活的多通道能力:采用菊花链实现的多个LM48901支持多达16声道扬声器和多低音炮配置。

·集成了2W扬声器驱动器:4个D类放大器可将2 W/每通道的连续输出功率输出到4Ω负载,且保持总谐波失真加噪声(THD+N)小于1%,以简化系统设计并减少材料清单。

工具和支持

LM48901的软件网络工具包括易于使用的扬声器阵列系数发生器,可以用几个简单步骤创建独特的空间音频系数。此外,还包括Android驱动程序与应用注解、评估板和图形用户界面。

供货情况、封装和价格

篇3：便携式简易数字电路实验板的设计

许多学校使用的数字电路实验板不仅体积庞大、价格昂贵, 还不适合学生实时做实验和学习。本本设计了一个体积小巧的数电实验板, 不仅具备原来实验箱的功能, 满足数字电路的实验课程要求, 还便于学生携带和存放, 能够实现在宿舍、教室或者实训室做实验的要求。

1 系统功能要求

数字电路实验板需要满足的功能如下:

(1) 1Hz矩形波信号源的产生;

(2) 8P、14P、16P、20P等芯片插孔 (各1个) ;

(3) 4位高低逻辑电平的显示设计;

(4) 1位BCD数码的显示;

(5) 4位逻辑开关的设计;

(6) +5V (USB供电) 、GND电压的设计[1]。

按照功能要求设计的实验板的布局图如图一所示。其中, VCC、GND端子有4 个, IC插座测试有8P、14P、16P、20P直插式芯片座子各1 个, 1 个1Hz的时钟信号输出端, 1 位数码显示, 1 位数码显示座子, 4 位逻辑电平输入, 4 位逻辑电平显示。

2 系统框图

数字电路实验板电路框图如图二所示, 包括6个基本模块电路, 分别是电源模块、逻辑开关输入电路模块、逻辑电平显示电路模块、BCD数码的显示电路模块、时钟信号电路模块、IC测试插座模块。数字逻辑高、低电平信号从逻辑电平开关处取得;逻辑电平显示电路用来指示高低电平的状态;数码显示电路用来显示0~9 之间的十进制数;IC测试插座模块用来安插8P、14P、16P、20P等四种不同规格的芯片。

3 硬件电路设计

3.1 逻辑电平开关输入电路

逻辑电平开关输入电路的作用是输出对应的高电平和低电平。选用三档开关来实现, 当开关悬空时, 处于高阻状态, 输出无信号;当开关拨至上端, 即接到VCC端, 则输出高电平“1”;当开关拨至下端, 即接到GND端, 则输出低电平“0”。其电路图如图三所示。逻辑电平开关为K1~K4, 共计4 个逻辑电平开关[2]。

3.2 逻辑电平显示电路

逻辑电平显示电路是用于检测被测信号的高低电平状态。当被测电路电平呈高电平时, 红色LED亮, 表示电路该点信号是高电平“1”;当被测电路呈低电平时, 绿色LED亮, 表示电路该点信号是低电平“0”。电路原理图如图四所示。图中当输入端为高电平“1”信号时, 三极管VT1 处于导通状态, 三极管VT2 处于截止状态, 此时二极管VD1 亮红灯, 二极管VD2 不亮, 表示测试信号为高电平;同理, 输入端为低电平“0”信号时, 三极管VT2 处于导通状态, 三极管VT1 处于截止状态, 此时二极管VD1 不亮, 二极管VD1 亮绿灯, 表示测试信号为低电平。

3.3 1Hz时钟信号源电路

时钟信号源电路用来产生1Hz的矩形波信号, 给数字电路提供时钟信号。该电路如图五所示, 用555 定时器构成多谐振荡器电路, 从3 脚输出1Hz的信号。

多谐振荡器有两个暂稳态, 它们的维持时间分别为高电平时间T1 和低电平时间T2, 计算公式如下:

所以振荡周期为:

振荡频率为:

取R1=24KΩ, R2=24KΩ, RT1最大值是100KΩ, 在电路中大约调到71KΩ, 电解电容C1=10μF, 此时电路输出1HZ脉冲信号[3]。

3.4数码显示电路

数码显示电路用于显示0~9共计10个十进制数, 与逻辑电平显示比较而言, 它的优点是直观、方便。如图六 (a) 所示, 选用共阴数码管和其对应的译码器CD4511完成电路功能, 图六 (b) 为数码管插座电路。

3.5 IC插座测试电路

IC插座测试电路如图七所示。4 个不同引脚的IC座用于插装8P、14P、16P、20P直插式的芯片, 每个引脚均引出对应的插孔, 便于连接外部电路。

4结束语

数字电路实验板的成品如图八所示。该电路板可由学生随身携带, 功能较齐全, 且实验电路板性价比较高, 解决了学生必须到实验室做实验的难题, 教学效果不错[4]。

参考文献

[1]李复生.插套式模拟和数字电路实验板[J].重庆师范学院学报 (自然科学版) , 1994, 11 (04) :96-98.

[2]黄颖松.简易型数字集成电路实验板[J].电子世界, 2013, (15) :103.

[3]徐少莹.数字电路实验板的研制[J].中国电子教育, 2001, (Z1) :78-80.

篇4：便携式设备中音频电路的设计要点范文

比如市场流行时尚的电子产品便携式DVD, 随着不断增加的功能需求, 诸如MP3、MP4、Divx、USB、Card Reader、数字电视模块等等, 如何在同样甚至更低的电池容量情况下保证产品在增加这些功能后的放电使用时间不减少?这从功耗观点来看对设计人员提出了更高的要求, 也将变得更加具有挑战性。当然节约就是创造, 怎么样能用最少的能量来使整机产品发挥出最大的效能, 这也就是低功耗设计的意义所在。

下面以便携式DVD产品为例, 谈一谈在具体的设计中怎么样来优化功耗电路设计, 使其实现低功耗。现在在便携式DVD系统中主要包含以下4个部分:TFT液晶显示屏、主板、机芯和电池, 除主板以外的另外3个部件可以通过比较来选择使用具有更低功耗的品牌部件;但是主板只能通过具体的设计来降低功耗, 主板共以下4个模块:主芯片及其外围电路、电源管理部分 (包括TFT的电源管理部分) 、音视频部分和机芯马达驱动部分, 这其中主芯片及外围电路模块和机芯马达驱动模块在低功耗设计方面通过比较选择具有更低功耗的器件就可以, 所以电源管理部分和音频功放部分的低功耗设计最为关键和重要, 当然产品里面的系统软件对降低整机的功耗也起着重要的作用。下面先从电源管理部分及音频部分来进行设计优化的阐述和分析。

首先, 对电源管理部分, 这需要把外部电压转换为系统各芯片所需工作电压的电压转换器件来实现。但是电源的转换效率不可能达到100%, 在转换过程中必定存在功率损耗, 那我们的任务就是通过具体的设计分析来选择电压转换效率比较高的器件来尽量的减少功率的损耗。

可以采用低压差线性稳压器 (LDO) , 电荷泵和基于电感的DC/DC转换器将外来电压转换成系统所需的不同工作电压。低压差线性稳压器 (LDO) 只能将输入电压转换为更低的输出电压。在实际应用中, 其功耗为P= (Vin-VOUT) ×IOUT。当输入与输出电压相差较大, 且输出电流也大的情况下, LDO本身消耗的功率就非常大, 并产生相应的热量。所以说LDO的效率在压差较大输出电流较大的时候效率是比较低的, LDO特别适合于低电流, 压差较小, 或对电源噪声要求较高的场合;电荷泵采用电容来实现能量转换, 可实现反压、倍压和稳压等变换, 效率为80%左右。受电容容量及尺寸限制, 电荷泵输出电流和电压都有限。DC/DC转换器采用低阻抗的开关 (如MOSFET) 以及电感等储能元件, 实现降压和升压等转换。DC/DC转换器减小了电压变换过程中的功率损耗, 效率高达90%以上。同时开关频率很高, 减小了外部电感和电容的尺寸。

通过对以上三种电压变换器件的比较分析, DC/DC转换器的效率较高又能实现较大的电流输出, 所以是便携式产品电源转换的首选。所以在目前便携式电子产品的设计中大量采用了DC/DC。在选择DC/DC的时候由于各个公司的设计不同在效率上也有所差异, 这就需要在选择这些器件的时候一定要注意其效率的高低, 有必要自己亲自来测一下, 在工作平台上有没有效率这方面的优势。正如上面所说的LDO特别适合于低电流, 压差较小, 或对电源噪声要求较高的场合, 还有就是它有较明显的价格优势, 如果采用输出电流较大的DC/DC, 对生产成本来说也是一种浪费。这也使得我们在设计的时候也要考虑在压差和电流都不大的情况下来选择它, 比如说系统中用到的1.8V, 它对纹波的要求比较高且电流不大, 可以从3.3V通过降压来实现, 压差也不大, 在这里采用一颗LDO来实现。再一个就是要尽量选用工作电压较低的主芯片, 一般来说工作电压低的芯片功耗也会相应的降低, 所以选用低电压工作的主芯片也有助于功耗的降低。

低功耗设计并不仅仅是为了省电, 更多的好处在于降低了由于功耗的损失而产生的热量, 随着设备温度的降低, 器件寿命则相应延长 (半导体器件的工作温度每提高10℃, 寿命则缩短一半) , 同时由于电流的减小也减少了电磁辐射和热噪声的干扰。

其次, 对音频部分来说, 主要是音频放大器件 (Audio Amplifier) , 现有的功率放大器有A类、B类、AB类和D类, 这其中D类放大器的效率最高, A类、B类和AB类线性放大器输出级都需要提供不小的偏置电流。其中A类放大器的效率最低一般不用。而D类放大器不需要偏置电流, 所以具有较高的效率, 能够大大延长电池寿命。所以在便携式电子产品中D类放大器应该是最好的选择。但是因为成本上现在D类放大器还没有优势, 所以大部分的便携式电子产品中还是采用的多是AB类放大器。下面重点介绍一下AB类和D类放大器比较D类放大器的效率优势。典型的AB类放大器效率最高只能达到50~70%, 而典型的D类放大器与之相比, 效率可达85%, 尤其是在低功率输出方面D类放大器比AB类放大器能储存更多的能量。即使是全功率或低功率输出, 效率方面也更为突出。基本的D类放大器理论 (如图1) 是给定的小模拟信号作为功率放大器的输入。功率放大器内部调制器将模拟转换成数字信号 (所以在某种意义上来说它是一种数字功放) , 如脉宽调制 (PWM) , 但它仍然是一个微弱的数字信号。然后, 桥接放大器将数字信号的振幅放大。然后将高幅度数字信号转换回模拟输出。在这种情况下, 放大器就可以完全工作在开关状态, 在开关状态晶体管的效率是很高的, 因为在完全导通的时候晶体管的电流很大, 但是电压很小;在截至的时候加在晶体管的电压很高, 但是流过得电流很小。同时在没有音频信号时使晶体管完全工作在截至状态, 这样就可以尽量得减少功率的损耗, 使其工作在高效的状态。在这里如果采用D类放大器则可以比AB类的效率提高一倍。这类放大器正在越来越多的被应用在便携式产品中。在便携式DVD中已经被大量采用。

还有就是前面提到了软件对提高整机的效率也起着至关重要的作用, 因为通过软件对I/O口的控制来实现电源的有效控制, 对I/O进行设置, 使它只在工作时消耗功率, 比如对便携式DVD TFT的电源管理部分来说, 关屏的时候, 最好可以把去屏的所有电压都关掉, 现在有的做法是只将高压板产生的背景灯的高压关掉, 但是FAN5331产生的正负压及其他屏的模块需要的电压还是在工作, 这就会造成不必要的功率损耗。现在我们可以通过I/O口直接控制FAN5331的始能端 (EN) , 这样在关屏的时候直接将FAN5331关掉, 使整个屏的模组都处在关断状态, 使消耗的功率达到最优化。

其他需要注意的地方就是:在系统中有很多信号需要上拉或者是下拉, 当然信号需要上下拉的原因很多, 但也不是个个都要拉。上下拉电阻拉一个单纯的输入信号, 电流也就几十微安以下, 但拉一个被驱动了的信号, 其电流将达毫安级。有人认为加了上下拉, 这些信号的工作状态会更加稳定, 但是这使整机的功耗也随之增加。所以在设计的时候要清楚哪些信号是必须要上拉的, 如果可以不上拉的尽量不要用。

基于以上所说, 这对设计者来说必须具备在有限的功率指标下实现更高电路性能的能力, 另外还要满足基本的系统性能指标要求、和成本目标要求。需要仔细分析系统中所有部件的功率情况, 来进行合理的选择硬件电路设计所涉及的器件和芯片, 提供出最好的设计方案。

参考文献

[1]王国华.便携式电子产品电源管理技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2004

[2]郑翔鹏.多功能随身电源系统方案[J].电子产品世界, 2007-12:120-122

[3]王水平.电源管理集成电路及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2007

[4]冯晓伟.电源管理芯片:应用领域扩展?技术创新提速[N].中国电子报, 2008-9-23

篇5：便携式设备中音频电路的设计要点范文

当前汽车音响与高保真的立体声音响系统中都包含了微处理器电路单元,这为实现音频处理提供了控制接口,可以通过控制接口实现许多需要的功能控制。作为音响系统主体的音频处理电路性能直接决定了整个音响系统质量,设计高性能的音频处理电路是该文的核心部分。

该设计的高性能音频处理电路基于I2C总线控制协议,包含输入多通道选择、音量控制、高低音音效处理、输出通道平衡度调整等功能,适合应用于高质量汽车音响、高保真收音机、彩电、家庭组合音响系统。

1 电路模块的设计

高保真音响系统的系统结构图[1]如图1所示,其中音频处理电路的设计和功率放大器的设计[2,3,4]往往是利用不同的芯片来完成的。

根据高保真立体声高级音响系统对音频处理电路的要求,该文设计的高性能音频处理电路的主要结构框图如图2所示。音频处理器可在I2C总线控制下对四路独立的立体声输入信号进行选择,然后进行主音量的控制、低音控制、高音控制以及四路立体声输出平衡度调整等。

1.1 I2C总线控制设计

I2C总线是Philip公司发明的一种高性能芯片间同步传输总线,仅需要串行数据线SDA和串行时钟线SCL两根信号线就实现了双向同步数据传输,能非常方便地构成多机系统和外围器件扩展系统[5]。数据的有效传送是在时钟线为高电平时,数据线上的数据必须保持稳定,只有在时钟为低电平时数据才允许变化。该设计采用的I2C通过数据线传送的每个字节必须是8位的,每一字节之后必须紧跟一个应答位,字节的最高位最先传送。

音频处理器芯片接收I2C总线发送的字节,首先识别地址位,在地址位有效的情况下识别控制位,再根据控制位的指令完成通道选择、音量调节、高低音调节、输出通道平衡度等音效处理的控制功能。

1.2 输入通道选择设计

在音频系统中往往有许多独立的音源必须通过音响处理,如在汽车音响系统中,来至收音机、CD、MP3、TV等的不同声音都需要通过音响处理音效,这就要求高性能的音频处理器能够在不同音源之间完成切换。该设计音频处理器采用I2C总线传输的数据控制指令,完成不同音源之间的切换;主要原理图如图3所示。微处理(MCU)通过I2C总线向音频处理芯片发送控制数据,音频处理器芯片接收I2C总线传输的数据,通过译码电路控制选择的音源通道开关的开与关,实现输入通道选择的功能。同时根据控制字调节电阻大小决定放大器的放大倍数决定音频信号的幅度大小。

1.3 音量控制设计

在音频处理器中,音量的调节是最基本的功能。实现I2C总线控制的数字式音量调节的主要原理如图4所示。

当控制字译码后打开开关SK,此时的取样电阻值为RX,总衰减电阻为Rall,则输出信号与输入信号的电压关系为AV=VOUT/VIN=RX/Rall;微处理器通过发送不同的控制值控制不同的开关导通实现不同的电压增益,实现最终的音量调节的目的。

1.4 高、低音频率响应电路设计

高性能音频处理器要求对不同频率的音频信号有不同的频率响应;尤其是高音和低音要求有不同的频率处理电路完成音效处理功能。文献[6]给出了基于两个运放单元的高、低音处理电路原理;但这种设计左右声道的高、低音处理电路中就必须包含4个运放单元,很大程度上增加了版图面积和芯片成本。在此采用交叉开关对实现了运放复用的功能,只利用一个运放单元就实现了信号的放大和衰减,很大程度地降低了芯片成本。

低音部分的频率处理电路主要原理如图5所示,主要通过有源运算放大器外接二阶R,C带通滤波器来实现[7]。当需要对低音信号进行衰减时,打开图5所示AV<0的开关对,此时的等效电路如图6(a)所示,通过运放缓冲驱动无源滤波器;当需要对音频信号衰减时,打开图5所示AV>0的开关对,此时的等效电路如图6(b)所示,交换了滤波器的输入/输出。

无源滤波器由内部的电阻阵列、外接电容电阻组成,电路原理图如图7所示。

对节点VA,VX分别列节点电流方程得:

$\begin{array}{l} (V_{Ι Ν} - V_{A}) C S + (V_{X} - V_{A}) C S = \frac{V_{A}}{R} ； \\ \frac{V_{Ι Ν} - V_{X}}{R_{S}} = (V_{X} - V_{A}) C S \end{array}$

联立得到:

$V_{Ι Ν} - V_{X} = \frac{R_{S} C S}{1 + (R_{S} + R) C S + R R_{S} C^{2} S^{2}} (1)$

根据滤波器输入/输出的节点关系:

$V_{Ο U Τ} = V_{Ι Ν} - \frac{R_{X}}{R_{S}} \times (V_{Ι Ν} - V_{X}) (2)$

把式(1)代入式(2)整理得到输入/输出的传输函数:

$\frac{V_{Ο U Τ}}{V_{Ι Ν}} = \frac{1 + (x R_{S} + R) C S + R R_{S} C^{2} S^{2}}{1 + (R_{S} + R) C S + R R_{S} C^{2} S^{2}} (3)$

式中:

$x = 1 - R_{X} / R_{S} (4)$

根据式(3)的滤波器传输函数可知,通过外接电阻电容值的选取可实现低音峰值频率的设定;内部的分压电阻在I2C总线控制译码的作用下,选择不同的分压比例实现不同的电压增益;最上端的开关对通过调节交换滤波器的输入/输出,实现对输入的音频信号增强和衰减。

高音部分的频率处理电路主要原理如图8所示,主要通过内部有源运算放大器、交叉开关对、增益控制电阻、外接串连R,C实现高音部分音频信号的频率响应。采用低音控制电路的分析方法可见,上述的开关对实现了高音信号的衰减和增强的目的。

高音处理的滤波器由内部电阻阵列、外接电阻、外接电容组成,电路原理图如图9所示。

由阻抗分压特性可知滤波器的传输函数:

$\frac{V_{Ο U Τ}}{V_{Ι Ν}} = \frac{1 + (R + x R_{S}) C S}{1 + (R + R_{S}) C S} (5)$

式中:

$x = 1 - R_{X} / R_{S} (6)$

由传输函数(4)可知:外接的串连分立电阻电容可实现高音峰值频率的设定;内部分压电阻在I2C总线控制译码的作用下控制不同的开关导通,实现不同的分压比例决定信号的增益大小;最上端的交叉开关对通过改变滤波器的输入和输出,调节整个电路模块对音频信号的增强还是衰减。

1.5 输出通道平衡度调整设计

高性能的音频处理器要求多声道输出驱动不同的音响系统实现立体声效果,这里音频处理器实现了4路独立的音频信号输出,可驱动4个不同的音响,且不同支路的音频信号在I2C总线控制下实现不同的衰减处理,达到实现调整通道之间的平衡度的目的。由结构框图(图2)所示,将这四路音频输出通路分别称为右前置、右后置、左前置、左后置等。

2 版图设计和测试结果

2.1 版图设计

这里设计的音频处理器芯片采用CMOS工艺实现了低功耗、高性能、低失真度等特点,采用CANDENCE的版图绘制工具完成了版图设计,整个版图如图10所示。在版图设计中要考虑左右声道的音频信号间的隔离减少声道之间的串绕影响;同时注意音频信号线同I2C控制线之间的隔离,避免在不同的控制模式下产生噪声干扰;最后在优化性能的同时尽量优化版图面积减少芯片的成本[8]。

2.2 测试结果

这里设计的音频处理器电路经流片、封装、测试各项指标完成且达到了预定的目标。

测试说明:

(1) 增益控制的测量;通过微处理器向电路发送不同的I2C控制命令,在音频输入端加频率为1 kHz、峰峰值为100 mV的正弦信号,在不同的控制制下测试输出节点的信号波形峰峰值,利用峰峰值计算各级的增益,得到表1的测试结果。

(2) 高低音频率响应的测试;通过微处理发送命令使得音频电路处于高低音控制模式,通过改变输入信号的频率,峰峰值设定为100 mV的正弦信号,在不同增益控制级别下测试不同频率信号下的输出信号峰峰值,进而计算该频率和增益级别下的增益。利用测试得到的数据绘制频率响应曲线如图11所示。

3 结语

在此详细分析了高性能音频处理器的功能要求,根据各功能要求设计了实现各功能要求的电路结构,设计实现了一款应用于汽车音响及家用娱乐音响系统的音频处理器芯片,该芯片极高的性价比使其具有广阔的市场空间。

参考文献

[1]宋贵林,胡春萍.现代音响技术入门[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]李鸿基,龚敏.音频功放芯片中AB类输出运放的设计[J].现代电子技术,2007,30(20):192-194.

[3]童钟,陈宁.D类功放在便携式设备中的应用[J].现代电子技术,2007,30(8):41-42.

[4]聂彬,李开航.D类功放中的∑-Δ调制器分析与设计[J].现代电子技术,2008,31(8):87-89.