支持差分信令和單端信號(hào)的音頻接口設(shè)計(jì)

目前附有外部揚(yáng)聲器音頻功能的便攜設(shè)備日趨增多，如MP3播放器、帶MP3功能或喇叭的手機(jī)、以及便攜式CD播放器等，它們的輸出根據(jù)配置和驅(qū)動(dòng)的不同而各異。

MP3播放器或手機(jī)的輸出是單端信號(hào)，適合驅(qū)動(dòng)32Ω的聽筒揚(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。然而32Ω的驅(qū)動(dòng)器難以驅(qū)動(dòng)這些低阻抗揚(yáng)聲器，也就無法提供足夠的音量。

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，因此通用的放大器將不適于驅(qū)動(dòng)這些揚(yáng)聲器。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(hào)。某些新型高端揚(yáng)聲器系統(tǒng)可支持差分信號(hào)，為了后向兼容，這些系統(tǒng)也支持單端信號(hào)。

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

對(duì)于將輸入信號(hào)放大為相等輸出的單端/差分音頻放大器來說，有幾種方法可以對(duì)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(hào)。兩個(gè)器件之間的共地連接是必須的。乍看起來，由于信號(hào)是直流隔離的，因而交流耦合電容無需與地連接，但實(shí)際上這是提供理想噪聲性能的需要。

圖1: 聲級(jí)和輸出功率間特性曲線。注意音量與音頻系統(tǒng)輸出功率之間并非線性關(guān)系。

圖2：利用比較器檢測差分信號(hào)的電路。

圖3：音頻放大器的直接實(shí)現(xiàn)方法。

圖4：利用運(yùn)算放大器產(chǎn)生輸入音頻放大器中的反向信號(hào)。

圖5：簡化的變壓器電路實(shí)現(xiàn)方法。完整的電路還必須包括其它元件來確保原始信號(hào)并平衡輸入。

圖6A：在電位器中增加運(yùn)算放大器可解決音頻放大器增益的問題。

圖6B：在電位器中增加運(yùn)算放大器可解決音頻放大器增益的問題。

第一個(gè)問題是如何檢測輸入是單端還是差分信號(hào)。在諸多電路中，有兩種電路用連接器的一個(gè)外部引腳來測試輸入信號(hào)的直流電平。指定連接器的一個(gè)外部引腳很容易，但對(duì)于空間狹小的應(yīng)用來說卻不可行。源器件既能使該引腳開路也能使該器件接地。

檢測差分信號(hào)的第二個(gè)方法，是利用比較器來測試信號(hào)的直流電平，看后者是接地的還是差分信號(hào)。以上兩種方法的輸入信號(hào)都必須通過低通濾波器。原始信號(hào)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(hào)的差分模式下，這將導(dǎo)致錯(cuò)誤的檢測結(jié)果(圖2)。若原始信號(hào)的直流電平是地電平的話，這種技術(shù)也不能使用。

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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸入。

對(duì)音頻放大器來說最簡單的辦法是將信號(hào)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(hào)，允許不經(jīng)轉(zhuǎn)換的輸入設(shè)置于0.5Vcc上，這就是標(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(duì)不同的輸入模式，這兩種輸入信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生相同的輸出信號(hào)幅度。

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。與前面的實(shí)例不同，此時(shí)輸入音頻放大器的信號(hào)必須是差分信號(hào)。差分信號(hào)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)方法有利于系統(tǒng)的尺寸，但對(duì)平衡輸入信號(hào)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(hào)變成反向信號(hào)。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(hào)可以直接送入音頻放大器中。

替代運(yùn)算放大器產(chǎn)生差分信號(hào)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在系統(tǒng)能夠放大的音頻信號(hào)范圍之內(nèi)。原始的輸入信號(hào)必須采用交流旁路電容來使直流與地隔離。模擬開關(guān)可用來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。

利用標(biāo)準(zhǔn)單向電位器通過幾種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)音量的控制。如前面所述，旋轉(zhuǎn)旋紐時(shí)，具有對(duì)數(shù)特性的電位器才能產(chǎn)生平滑的音量控制(圖1)。該電位器可以對(duì)電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而產(chǎn)生線性的響應(yīng)。對(duì)于差分輸入，單聲道系統(tǒng)需要2個(gè)電位器，而立體聲系統(tǒng)則需要4個(gè)電位器。

最簡單的方法是在電位器中的輸入音頻信號(hào)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(hào)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)電容與電位器阻抗相關(guān)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)其它問題，很可能產(chǎn)生旁路濾波器(在電位器中濾掉某些頻率的信號(hào))。

一個(gè)解決方案是在電位器的滑動(dòng)端增加一個(gè)運(yùn)算放大器(圖6)。對(duì)于輸入端該電路呈現(xiàn)的是電位器的靜態(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(duì)該電路來說，由于音頻放大器無法真正實(shí)現(xiàn)滿幅(rail-to-rai)輸出，因此電位器不能通過接地來消除輸出信號(hào)的噪聲。