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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