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，在繼續優化性能表現及用戶音頻體驗方面仍有繼續提升的空間。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/應用處理器、調頻(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極佳。例如，這器件具有達95 dB的優異信噪比(SNR)性能，提供極佳的音頻表現。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網設備(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。
對于耳機放大器而言，為了提供舒適的聽力水平，靜態功率(即靜態電流)就是其總體功耗的主要構成部分。因此，將靜態電流降至最低對于提高耳機放大器的能效至關重要。NCP2815是安森美半導體推出的一款超低靜態電流(Iq)立體聲耳機放大器，提供1.8 mA的超低靜態電流，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16Ω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，提供固定內部增益(-1.5 V/V)或外部可調節增益，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品。
圖4：NCP2815“長播放時間”立體聲耳機放大器框圖。
音頻子系統方案——高集成度的音頻管理集成電路
安森美半導體身為應用于高能效電子產品的首要高性能硅方案供應商，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PWM D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量并保護揚聲器。NCP2704集成的耳機放大器具有超低靜態電流消耗特性，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：
智能手機等便攜產品的音頻輸出應用需要低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，設計人員采用安森美半導體提供的超低靜態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。