音頻接口設(shè)計(jì)論文
摘 要：隨著人們物質(zhì)生活的提高，各式各樣的音頻設(shè)備大量的進(jìn)入到我們的生活中 ，傳統(tǒng)音頻接口簡(jiǎn)單，通用性較弱。隨著不同設(shè)備的配置驅(qū)動(dòng)的不同，通用音頻接口越來(lái)越值得關(guān)注。本文將討論音頻接口是現(xiàn)代通用化音頻接口中重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：音頻；單端信號(hào)；差分信號(hào)
1.引言
當(dāng)今各式各樣的音頻設(shè)備層出不窮，附有外部揚(yáng)聲器音頻功能的便攜設(shè)備日趨增多，它們的輸出根據(jù)配置和驅(qū)動(dòng)的不同而各異。 以往通用的音頻接口已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，所以急于設(shè)計(jì)出一個(gè)新的音頻接口電路已滿足不同設(shè)備，下面將對(duì)于傳統(tǒng)接口進(jìn)行分析，以及新的音頻電路設(shè)計(jì)的必要性及優(yōu)點(diǎn)。
2.音頻接口的種類
根據(jù)輸出的不同，我們可以區(qū)分音頻為： 單端信號(hào)、差分信號(hào)。
例如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(tīng)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(wú)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。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(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(tīng)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)。
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。
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(lái)說(shuō)，有幾種方法可以對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)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(lái)，由于信號(hào)是直流隔離的，因而交流耦合電容無(wú)需與地連接，但實(shí)際上這是提供理想噪聲性能的需要。
3.檢測(cè)輸入信號(hào)方法
在諸多電路中，有兩種電路用連接器的一個(gè)外部引腳來(lái)測(cè)試輸入信號(hào)的直流電平。
一、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(lái)說(shuō)卻不可行。源器件既能使該引腳開(kāi)路也能使該器件接地。
二、是利用比較器來(lái)測(cè)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(guò)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(cè)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。
圖2：利用比較器檢測(cè)差分信號(hào)的電路。
4.電路設(shè)計(jì)
音頻電路除上述檢測(cè)電路外還有第二個(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(lái)說(shuō)最簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)保持在斷開(kāi)狀態(tài)，以使放大器輸出2倍的增益。在差分模式下，模擬開(kāi)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。
圖3：音頻放大器的直接實(shí)現(xiàn)方法。
第二種實(shí)現(xiàn)方法是采用真正的差分放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。這種放大器可提供較好的噪聲抑止。與上一方法不同，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(lái)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(kāi)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。
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)。
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(jiǎn)化電路（圖5），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(lái)使直流與地隔離。模擬開(kāi)關(guān)可用來(lái)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。
圖5：簡(jiǎn)化的變壓器電路。完整的電路還必須包括其它元件來(lái)確保原始信號(hào)并平衡輸入。
5.音量控制
利用標(biāo)準(zhǔn)單向電位器通過(guò)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。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(jiǎn)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�；瑒�(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(wèn)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))。
另一個(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(lái)說(shuō)，由于音頻放大器無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)滿幅(rail-to-rai)輸出，因此電位器不能通過(guò)接地來(lái)消除輸出信號(hào)的噪聲。
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(wèn)題。
6.結(jié)束語(yǔ)
音頻接口設(shè)計(jì)是個(gè)比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)，不僅僅需要考慮信號(hào)的通用性，而且還需要考慮其通用性。設(shè)計(jì)者對(duì)于傳統(tǒng)各種音頻設(shè)計(jì)需要有較深的了解，然后綜合這些眾多音頻設(shè)計(jì)，總結(jié)優(yōu)缺點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)出滿足人們需要的，通用性強(qiáng)的音頻設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)：
[1]《電子工程專輯》，2008
[2]（美）科默等著，王華奎等譯，《電子電路設(shè)計(jì)》，電子工業(yè)出版社，2004
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