音頻系統在手機與個人數字助理 (PDA)中的應用與探討

　　音頻功率放大器在便攜式產品中的考慮因素

　　1)較高的PSRR

　　必須具有較高的Power supply rejection ratio (PSRR)，可以避免受到電源與布線噪聲的干擾。

　　2)快速的開關機(Fast turn on & off)

　　擁有長時間的待機時間，是手機或個人數字助理的基本要求，AB 類音頻放大器的效率約為50%至60%，D類音頻放大器的效率可達85%至90%。不管使用何種音頻放大器，為了節省功率消耗，在不需要用到音頻放大器時，均需進入待機狀態。然而當一有聲音出現時，音頻放大器必須馬上進入開機狀態。

　　3)無“開關/切換噪音” (Click & Pop)

　　開關/切換噪音” 常出現于音頻放大器進入開關機時，或是由待機回復至正常狀態，或是217 Hz手機通信信號時。手機或個人數字助理的使用者絕不會希望聽到擾人的噪音，將“Click & Pop”消除電路加入音頻放大器中，是必備條件。

　　4）較低的工作電壓

　　為增長電池使用時間，常需低至1.8V，仍可工作。

　　5）低電流消耗與高效率

　　使用CMOS工藝的IC，可降低電流消耗。有時需選擇D類音頻放大器，目的是延長手機或個人數字助理的工作時間。

　　6）高輸出功率

　　在相同工作電壓下具有較高的輸出功率，即輸出信號的擺幅越接近Vcc與GND時，其輸出功率越高。

　　7）較小的封裝 (uSMD)

　　手機或個人數字助理的外觀越來越小巧，使得IC封裝技術越來越重要，uSMD為現今較常用到的封裝技術。

　　輸出功率的計算

　　單端式(Single-end)放大器如圖1所示，其增益為:

　　Gain = Rf/Ri

　　Rf：反饋電阻，Ri：輸入電阻

　　由輸出功率 = (VRMS)2/Rload，VRMS= Vpeak /21/2

　　因此單端式(Single-end)放大器輸出功率=(Vpeak)2/2Rload

　　橋接式(BTL)放大器如圖2所示，由兩個單端式(Single-end)放大器以相差180 組成，故其增益為：

　　Gain = 2Rf/Ri

　　Rf：反饋電阻，Ri：輸入電阻

　　由輸出功率 = (VRMS)2/Rload，橋接式VRMS= 2 Vpeak /21/2

　　因此：橋接式輸出功率 = 2 (Vpeak)2/Rload= 4 單端式放大器輸出功率

　　               圖2 橋接式放大器與作用于喇叭正負端的波形

　　輸入與輸出耦合電容值的選擇

　　如圖1，輸入電阻與輸入耦合電容形成一個高通濾波器，如欲得到較低的頻率響應，則需選擇較大的電容值，關系可用以下公示表示。

　　fC = 1/2 (RI)(CI)

　　fC：高通濾波截止頻率，RI：輸入電阻

　　CI：輸入耦合電容值，此電容用來阻隔直流電壓并且將輸入信號耦合至放大器的輸入端。

　　在移動通信系統中，由于體積的限制，即使使用較大的輸入耦合電容值，揚聲器通常也無法顯示出50Hz以下的頻率響應。因此，假設輸入電阻為20K ，只需輸入耦合電容值大于0.19 F即可。在此狀況下，0.22 F 是最適當選擇。

　　就輸出耦合電容值的設定而言，同圖1中，如欲得到較佳的頻率響應，電容值亦需選擇較大的容值，關系可用以下公式表示：

　　fC=1/2(RL)(CO)

　　fC：高通濾波截止頻率，RL：喇叭(耳機)的電阻，CO：輸出耦合電容值

　　例如，當使用32 的耳機，如希望得到50Hz 的頻率響應時，則需選擇99 F的輸出耦合電容值。在此狀況下，100 F是最適當選擇。

　　散熱(Thermal)考慮

　　在設計單端式(Single-end)放大器或是橋接式(BTL)放大器時，功率消耗是主要考慮因素之一，增加輸出功率至負載，內部功率消耗亦跟著增加。

　　橋接式(BTL)放大器的功率消耗可用以下公式表示:

　　PDMAX_BTL= 4(VDD)2/(2 2RL)

　　VDD：加于橋接式(BTL)放大器的電源電壓，RL ：負載電阻

　　例如，當VDD=5V，RL=8 時，橋接式放大器的功率消耗為634mW。如負載電阻改成32 時，其內部功率消耗降低至158mW。

　　而單端式(Single-end)放大器的功率消耗可用以下公式表示：

　　PDMAX_SE= (VDD)2/(2 2RL)

　　VDD：加于單端式(Single-end)放大器的電源電壓，RL：負載電阻，亦即單端式放大器的功率消耗僅為橋接式放大器的四分之一。所有的功率消耗加起來除以IC的熱阻( JA)即是溫升。

　　布線(Layout) 考慮

　　設計人員在布線上，有一些基本方針必須加以遵守，例如

　　1）所有信號線盡可能單點接地。

　　2）為避免兩信號互相干擾，應避免平行走線，而以90 跨過方式布線。

　　3）數字電源，接地應和模擬電源分開。

　　4）高速數字信號走線應遠離模擬信號走線，也不可置于模擬元件下方。

　　3D增強立體聲的應用

　　大部分人認為，“3D音效”既不是單聲道，也不是雙聲道，它是一種音頻的處理技術，使聆聽者在非實際的環境下，感覺到發出聲音的地點，這就必須非常講究揚聲器(喇叭)的放置位置與數目。但是在手機與個人數字助理中，無法放置如此多的揚聲器，因此發展出以兩個揚聲器加上運用硬件或軟件的方式來模擬“3D音效”，就是所謂的“3D增強立體聲音效”(3D Enhancement) 。

　　圖3為3D增強立體聲的音頻次系統方塊圖，用于立體聲手機或個人數字助理中，此音頻次系統由下列幾個部份組成：

　　1）后級放大器部分，包括一個立體聲揚聲器(喇叭)驅動器，一個立體聲耳機驅動器，一個單聲道耳機放大器 (earpiece)和一個用于免提聽筒的線路輸出 (line out) (例如汽車的免提聽筒電話輸出)。

　　2）音量控制，可提供分為 32 級的音量控制，而且左、右及單聲道的音量均可獨立控制。

　　3）混音器，用來選擇輸出與輸入音源的關系，可將立體聲及單聲道輸入傳送并混合在一起，將這些輸入分為 16 個不同的輸出模式，使系統設計工程師能夠靈活傳送混合單聲道及立體聲音頻信號，不會限定信號只能傳送給立體聲揚聲器或立體聲耳機。

　　4）電源控制與“開關/切換嘈音” 抑制電路。

　　5）3D增強立體聲使用的是硬件的方式。

　　6）使用I2C 兼容接口加以控制芯片的功能。

　　聲音在不同位置傳至左右耳朵時，會產生不同相位差。利用此相位差原理和硬件方法，便可以仿真出3D增強立體聲音效。即使系統在體積或設備上受到限制，而必需將左右喇叭擺放得很近時，仍然可以改善立體聲各個高低聲部的定位的種種問題。

　　                     圖3 3D增強立體聲音頻子系統方塊圖

　　如圖3的3D增強立體聲方塊圖所示，一個外接電阻與電容電路用以控制3D增強立體聲音效，用兩個獨立的電阻與電容電路來控制立體聲揚聲器與立體聲耳機，如此可達到最佳的3D增強立體聲效果。

　　在此電阻與電容電路中，3D增強立體聲效果的“量”是由R3D電阻來設定的，并且成反比關系，C3D電容用以設定3D增強立體聲效果的3dB低頻截止頻率，在低頻截止頻率以上才能顯現出3D增強立體聲效果，增加C3D電容值將降低低頻截止頻率，其關系可用以下公式表示：

　　f3D(-3dB)=1/2 (R3D)(C3D)

　　結論

　　由于移動電話與個人數字助理已發展為能夠提供各種不同娛樂的多功能便攜式設備，廠商們盡量采用高保真的音頻系統及壽命較長的電池，并使此類便攜式電子產品具備立體聲喇叭放大器，多種不同的混音，以及3D增強立體聲等功能，同時在外型上也盡量輕薄小巧。但其設計范疇仍不脫離以上所述基本原理，這就是本文所要表達的另一目的。