音頻接口設計論文

　　摘 要：隨著人們物質生活的提高，各式各樣的音頻設備大量的進入到我們的生活中 ，傳統音頻接口簡單，通用性較弱。隨著不同設備的配置驅動的不同，通用音頻接口越來越值得關注。本文將討論音頻接口是現代通用化音頻接口中重點考慮的問題。

　　關鍵詞：音頻；單端信號；差分信號

　　1.引言

　　當今各式各樣的音頻設備層出不窮，附有外部揚聲器音頻功能的便攜設備日趨增多，它們的輸出根據配置和驅動的不同而各異。 以往通用的音頻接口已經遠遠不能滿足需要，所以急于設計出一個新的音頻接口電路已滿足不同設備，下面將對于傳統接口進行分析，以及新的音頻電路設計的必要性及優點。

　　2.音頻接口的種類

　　根據輸出的不同，我們可以區分音頻為： 單端信號、差分信號。

　　例如MP3播放器或手機的輸出是單端信號，適合驅動32Ω的聽筒揚聲器。典型外置揚聲器系統的揚聲器阻抗是4至8Ω，每個聲道可能會有多個揚聲器。然而32Ω的驅動器難以驅動這些低阻抗揚聲器，也就無法提供足夠的音量。

　　外部揚聲器系統因品質、音量及揚聲器數目的`不同而有所區別，因此通用的放大器將不適于驅動這些揚聲器。如MP3播放器的揚聲器系統具有耳機插孔輸入端，并能支持單端輸出的立體聲信號。某些新型高端揚聲器系統可支持差分信號，為了后向兼容，這些系統也支持單端信號。

　　由于差分信號是單端信號的兩倍，因而單端信號和差分信號將產生不同的音量。人的聽力和聲音大小的關系符合對數曲線規律，因此就不能采用線性的控制方式(圖1)。

　　圖1: 聲級和輸出功率間特性曲線。注意音量與音頻系統輸出功率之間并非線性關系。

　　對于將輸入信號放大為相等輸出的單端/差分音頻放大器來說，有幾種方法可以對其進行檢測和實現。系統之間的接口連接器應至少有5個引腳才能提供差分信號。兩個器件之間的共地連接是必須的。乍看起來，由于信號是直流隔離的，因而交流耦合電容無需與地連接，但實際上這是提供理想噪聲性能的需要。

　　3.檢測輸入信號方法

　　在諸多電路中，有兩種電路用連接器的一個外部引腳來測試輸入信號的直流電平。

　　一、指定連接器的一個外部引腳很容易，但對于空間狹小的應用來說卻不可行。源器件既能使該引腳開路也能使該器件接地。

　　二、是利用比較器來測試信號的直流電平，看后者是接地的還是差分信號。

　　以上兩種方法的輸入信號都必須通過低通濾波器。原始信號必須分離為其直流電平的50%至25%，如果系統在低頻、高峰峰值交流信號的差分模式下，這將導致錯誤的檢測結果(圖2)。若原始信號的直流電平是地電平的話，這種技術也不能使用。

　　圖2：利用比較器檢測差分信號的電路。

　　4.電路設計

　　音頻電路除上述檢測電路外還有第二個部分是音頻放大器。該電路的解決方案和所需的聲音質量有關。真正的差分輸入比進入一個放大器的差分信號能提供更高的聲音質量，實際的差分放大器需要一個附加電路將單端信號轉換為差分輸入。

　　對音頻放大器來說最簡單的辦法是將信號輸入到一個放大器中(圖3)。在單端模式下，該差分輸入不產生信號，允許不經轉換的輸入設置于0.5Vcc上，這就是標準的單端輸入配置。模擬開關保持在斷開狀態，以使放大器輸出2倍的增益。在差分模式下，模擬開關閉合，增益變為1。因此對不同的輸入模式，這兩種輸入信號都會產生相同的輸出信號幅度。

　　圖3：音頻放大器的直接實現方法。

　　第二種實現方法是采用真正的差分放大器來驅動揚聲器。這種放大器可提供較好的噪聲抑止。與上一方法不同，此時輸入音頻放大器的信號必須是差分信號。差分信號可利用運算放大器或變壓器來實現。

　　運算放大器的實現方法有利于系統的尺寸，但對平衡輸入信號則存在困難(圖4)。該運算放大器的增益為-1，以將單端輸入信號變成反向信號。模擬開關在輸入之間轉換以實現音頻放大器的輸入。這種差分信號可以直接送入音頻放大器中。

　　圖4：利用運算放大器產生輸入音頻放大器中的反向信號。

　　替代運算放大器產生差分信號的另一個方法是采用1:1的變壓器。該變壓器可簡化電路（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能夠放大的音頻信號范圍之內。原始的輸入信號必須采用交流旁路電容來使直流與地隔離。模擬開關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)之間進行轉換。

　　圖5：簡化的變壓器電路。完整的電路還必須包括其它元件來確保原始信號并平衡輸入。

　　5.音量控制

　　利用標準單向電位器通過幾種方法可以實現對音量的控制。如前面所述，旋轉旋紐時，具有對數特性的電位器才能產生平滑的音量控制。該電位器可以對電路進行計數，從而產生線性的響應。對于差分輸入，單聲道系統需要2個電位器，而立體聲系統則需要4個電位器。

　　最簡單的方法是在電位器中的輸入音頻信號和地之間放置一個電阻，滑動端與音頻放大器的輸入相連接。滑動端的輸出與輸入信號成比例。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，因而不會產生期望的增益。當電容與電位器阻抗相關時，會出現其它問題，很可能產生旁路濾波器(在電位器中濾掉某些頻率的信號)。

　　另一個解決方案是在電位器的滑動端增加一個運算放大器(圖6)。對于輸入端該電路呈現的是電位器的靜態阻抗。運算放大器直接驅動音頻放大器，因而消除了增益的不同。對該電路來說，由于音頻放大器無法真正實現滿幅(rail-to-rai)輸出，因此電位器不能通過接地來消除輸出信號的噪聲。

　　圖6A：在電位器中增加運算放大器可解決音頻放大器增益的問題。

　　6.結束語

　　音頻接口設計是個比較復雜的設計，不僅僅需要考慮信號的通用性，而且還需要考慮其通用性。設計者對于傳統各種音頻設計需要有較深的了解，然后綜合這些眾多音頻設計，總結優缺點，從而設計出滿足人們需要的，通用性強的音頻設計。

　　參考文獻：

　　[1]《電子工程專輯》，2008

　　[2]（美）科默等著，王華奎等譯，《電子電路設計》，電子工業出版社，2004

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