如何設(shè)計(jì)可支持差分和單端信號的便攜式產(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放大到輸出相等信號的單端/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，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。而某些新型高端揚(yáng)聲器系統(tǒng)則可支持差分信號，為了后向兼容，這些新系統(tǒng)也必須能支持單端信號。

圖1：音量與音頻系統(tǒng)的輸出功率之間不是線性關(guān)系。

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

對于可將輸入信號放大到與輸出相等信號的單端/差分音頻放大器，有幾種方法可以對其進(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。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。

圖2：使用比較器電路的差分信號檢測。

第一個(gè)要解決的問題是檢測輸入是單端還是差分信號。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的直流電平。指定連接器的一個(gè)外部引腳很容易，但對于空間狹小的應(yīng)用而言就不可行。源器件或使引腳開路或使其短接至地。

檢測差分信號的第二種方法，是利用比較器來檢測信號的直流電平，或是接地或是差分信號。以上兩種方法的輸入信號都必須通過低通濾波器。原始信號必須分離為其直流電平的50%至25%，如果系統(tǒng)在低頻、高峰峰值交流信號的差分模式下，將導(dǎo)致錯(cuò)誤的檢測結(jié)果。若原始信號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轉(zhuǎn)換為差分輸入信號。

音頻放大器最容易的實(shí)現(xiàn)方法是將信號輸入到一個(gè)放大器中(圖3)。在單端模式下，該差分輸入不產(chǎn)生信號，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)?。因此對于不同的輸入模式，這兩種輸入信號都會(huì)產(chǎn)生相同的輸出信號幅度。

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。

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必須是差分信號。差分信號可利用運(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，但對平衡輸入信號則存在困難(圖4)。該運(yùn)算放大器的增益為-1，以將單端輸入信號變成反向信號。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。這種差分信號可以直接送入音頻放大器中。圖4是電路圖。

替代運(yùn)算放大器產(chǎn)生差分信號的另一個(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范圍之內(nèi)。原始的輸入信號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)對音量的控制。如前所述，旋轉(zhuǎn)旋鈕時(shí)，具有對數(shù)特性的電位計(jì)能產(chǎn)生平滑的音量控制。該電位計(jì)可以對電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而產(chǎn)生線性的響應(yīng)。對于差分輸入，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。滑動(dòng)端的輸出與輸入信號成比例。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)。

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。

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的噪聲。

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。