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(yīng)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，例如：智能手機存在基帶/應(yīng)用處理器、調(diào)頻(FM)廣播、藍牙(耳機)等多種音頻輸入源;編解碼器(CODEC)可以集成在模擬基帶中，也可獨立存在;多數(shù)情況下最少是揚聲器放大器保持單獨存在(不集成)，從而提供足夠輸出功率，耳機放大器外置，配合高保真(Hi-Fi)音樂播放。
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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)生干擾。就用戶的實際應(yīng)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(chǎn)生的時分多址(TDMA)噪聲;亦要求導通及關(guān)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(shù)
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(chǎn)生干擾。實際上，D類放大器將輸入的模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制(PWM)的脈沖信號，再以此脈沖信號控制開關(guān)器件來導通/關(guān)閉音頻功率放大器。對于智能手機應(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)沒有特定手段來應(yīng)對。但要做到這一點，可以采用兩種技術(shù)，一是PWM擴頻調(diào)制(開關(guān)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(shù)比擴頻調(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(shù)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(guān)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(shè)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(shè)備(MID)、導航設(shè)備、便攜游戲機及便攜式媒體播放器等應(yīng)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(zhì)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(zhì)量更高的要求，智能手機等便攜消費類設(shè)備需要高質(zhì)量的立體聲耳機放大器。而設(shè)計人員在設(shè)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(zhì)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(yīng)性能，且耳機真接地配合使用常規(guī)轉(zhuǎn)換器，但真實接地結(jié)構(gòu)的能效不高?？偟膩砜矗鎸嵔拥胤桨柑峁└褪д婕案》桨赋叽纾攸c是要提高能效，幫助延長音頻播放時間。
對于耳機放大器而言，為了提供舒適的聽力水平，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)電流降至最低對于提高耳機放大器的能效至關(guān)重要。NCP2815是安森美半導體推出的一款超低靜態(tài)電流(Iq)立體聲耳機放大器，提供1.8 mA的超低靜態(tài)電流，幫助延長音頻播放時間。
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，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、負載為16 Ω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成為市場上同類器件尺寸最小的產(chǎn)品。
圖4：NCP2815“長播放時間”立體聲耳機放大器框圖。
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，不僅推出上述獨立的高性能揚聲器放大器及立體聲耳機放大器，也推出集成了立體聲耳機放大器、揚聲器放大器及I2C控制的音頻子系統(tǒng)方案——音頻管理集成電路(AMIC)，在揚聲器及耳機輸出的2路音頻輸入源之間提供靈活的布線及多工(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PWMD類音頻管理集成電器，幫助有效降低EMI。這器件提供完全可編程的自動增益控制功能，確保提供極佳音頻輸出質(zhì)量并保護揚聲器。NCP2704集成的耳機放大器具有超低靜態(tài)電流消耗特性，幫助延長音頻播放時間。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集成的耳機放大器的THD+N值僅為0.02%，揚聲器放大器則為0.042%;相應(yīng)的耳機放大器電源抑制比為-100 dB，揚聲器放大器為-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類音頻管理集成電路，主要功能與NCP2704類似，但NCP2705增加了共模感測功能。此功能可以改善串擾性能，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，耳機放大器為0.01%，揚聲器放大器為0.017%。
圖6：帶共模感測功能的D類音頻管理集成電路NCP2705框圖。
總結(jié)：
智能手機等便攜產(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)計人員采用安森美半導體提供的帶斜坡控制功能的D類揚聲器放大器NCP2824，能夠有效地降低對射頻電路的高頻EMI干擾，同時借助“不削波”自動增益控制(AGC)功能確保揚聲器播放音頻時提供低失真，及借助“功率限制器”AGC功能保護揚聲器免受損壞。同時，設(shè)計人員采用安森美半導體提供的超低靜態(tài)電流立體聲耳機放大器NCP2815，延長智能手機音頻播放時間。 而NCP2704和NCP2705均是帶低EMI D類放大器、自動增益控制和“長播放時間”耳機放大器的音頻管理集成電路，藉I2C提供靈活的多工及布線。