智能手機的音頻放大器方案探討與設計分析

近年來，智能手機集成的功能越來越多，但在基本的音頻放大應用方面，在繼續(xù)優(yōu)化性能表現(xiàn)及用戶音頻體驗方面仍有繼續(xù)提升的空間。原因是智能手機存在著特殊的音頻要求。

　　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電路產生干擾。實際上，D類放大器將輸入的模擬音頻信號轉換為脈寬調制(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量更高的要求，智能手機等便攜消費類設備需要高質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)轉換器，但真實接地結構的能效不高。總的來看，真實接地方案提供更低失真及更小方案尺寸，重點是要提高能效，幫助延長音頻播放時間。