手机与PDA之声频系统应用探微

Katharine Post at 2006/3/14 15:42:00

手机与PDA已能够提供各种不同娱乐功能,而消费者更希望其能够拥有立体声,甚至是3D音效。因此厂商们皆尽量采用高度原音的声频系统,并使产品具备立体声喇叭放大器、不同的混音以及3D强化立体声功能,同时在外型上也尽量轻薄小巧。本文将为读者深入探讨声频系统在手机与PDA之应用与设计,以方便系统研发人员设计出适合消费者的产品。

音效在可携式电子产品上之要求,在早期只要输出功率够大,同时无噪声干扰即可,然而随着产品成熟度增加与MP3、MPEG4 等附加功能的需求而更显其重要性。现今消费者在手机与个人数字处理器(PDA)的音效要求已至立体声,甚至必须具备3D音效。

本篇文章即是要探讨声频系统在手机与PDA之应用与设计,让系统与研发人员设计出适合消费者的产品。

 


无线可携式电子产品应用之考虑因素

以下列出在选择声频功率放大器时必须考虑到的主要因素。

较高的电源电压抑制(Power Supply Rejection Ration;PSRR)

声频功率放大器必须具有较高的PSRR,可以避免受到电源与布线噪声的干扰。

快速的开关机(Fast turn on & off)

拥有较长的待机时间,为手机或PDA之基本诉求,AB类声频放大器的效率约为50至60%,D类声频放大器的效率可达85至90%,不管使用何种声频放大器,为了节省功率消耗,在不需要用到声频放大器时,均需进入待机状态,然而当一有声音出现时,声频放大器必须马上进入开机状态。

无「开关切换噪声」(Click & Pop)声

「开关切换噪声」声常出现于声频放大器进入开关机时,或是由待机回复至正常状态,甚至是217Hz手机通信讯号时,手机或PDA之使用者绝不会希望听到扰人的噪音,将「开关切换噪声」消除电路加入声频放大器的考量中,为重要的必备条件。

较低之工作电压

为延长电池使用时间,更要求在低至1.8伏特的条件下仍可进行作业。

低电流消耗与高效率

使用CMOS制程之IC,可降低电流消耗,有时需选择D类声频放大器,目的在延长手机或个人数字处理器之工作时间。

高输出功率

在相同工作电压下具有较高的输出功率,亦即输出讯号之摆幅越接近Vcc与GND时,其输出功率越高。

较小的封装(Micro SMD)

手机或个人数字处理器的外观越来越小巧,使得IC封装技术越来越重要,Micro SMD为现今较常用到的封装技术。

 


输出功率的计算

单端式(Single-end)放大器如(图一)所示,其增益为:

(公式一)
Gain=Rf/Ri
Rf:回授阻抗
Ri:输入阻抗
 


(图一) 单端式(Single-end)放大器




由输出功率=(VRMS)2/Rload,VRMS=Vpeak /21/2,因此单端式(Single-end)放大器输出功率=(Vpeak)2/2Rload。

桥接式(BTL)放大器如(图二)所示,由两个单端式(Single-end)放大器以相差180°组成,故其增益为

(公式二)
Gain=2Rf/Ri
Rf:回授阻抗
Ri:输入阻抗

由输出功率=(VRMS)2/Rload,桥接式VRMS=2Vpeak/21/2,因此桥接式输出功率=2(Vpeak)2/Rload=4×端式放大器输出功率。


图二) 桥接式放大器与施加于喇叭正负端之波形

 

 


输入与输出耦合电容值的选择

如图一,输入阻抗与输入耦合电容形成一高通滤波器,如欲得到较低的频率响应,则需选择较大的电容值,其关系可用以下公式表示:

(公式三)
fC=1/2∏(RI)(CI)
fC:高通滤波截止频率
RI:输入阻抗
CI:输入耦合电容值,此电容用以阻隔直流电压并且将输入讯号耦合至放大器的输入端。

在行动通讯系统中,由于体积的限制,即使使用较大的输入耦合电容值,扬声器也通常无法显现出50Hz以下的频率响应。因此,假设输入阻抗为20K奥姆,只需之输入耦合电容值大于0.19uF即可,在此状况下,0.22uF是最适当选择。

对于输出耦合电容值之设定而言,同图一中,如欲得到较佳的频率响应,电容值亦需选择较大的容值,其关系可用以下公式表示:

(公式四)
fC=1/2∏(RL)(CO)
fC:高通滤波截止频率
RL:喇叭(耳机)之阻抗
CO:输出耦合电容值

例如,当使用32奥姆之耳机,如希望得到50Hz的频率响应时,则需选择99uF的输出耦合电容值,在此状况下,100uF是最适当选择。

 


散热(Thermal)考量

在设计单端式(Single-end)放大器或是桥接式(BTL)放大器时,功率消耗是主要考量因素之一,增加输出功率至负载,其内部功率消耗亦跟着增加。

桥接式(BTL)放大器的功率消耗可用以下公式表示:

(公式五)
PDMAX_BTL=4(VDD)2/(2∏2RL)
VDD:加于桥接式(BTL)放大器之电源电压
RL:负载阻抗

例如,当VDD=5V、RL=8ohm时,桥接式放大器的功率消耗为634mW,如负载阻抗改成32ohm时,其内部功率消耗降低至158mW。

而单端式(Single-end)放大器的功率消耗可用以下公式表示:

(公式六)
PDMAX_SE=(VDD)2/(2∏2RL)
VDD:加于单端式(Single-end)放大器之电源电压
RL:负载阻抗

亦即单端式放大器的功率消耗仅为桥接式放大器的四分之一。

所有的功率消耗加起来除以IC的热阻(θJA)即是温升。

 


布线(Layout)考量

设计人员在布在线,有一些基本方针必须加以遵守,例如:

●所有讯号线尽可能单点接地;
●为避免两讯号互相干扰,应避免平行走线,而以90°跨过方式为之。
●数字之电源、接地应和模拟之电源、接地分开。
●高速数字讯号走线应远离模拟讯号走线,亦不可置于模拟组件下方。


3D强化立体声在手机与PDA之应用

就大多数人的了解,「3D音效」既非单声道,亦非双声道, 它是一种声频的处理技术,使聆听者在非实际的环境下, 感觉到声音发出的地点,这就必须非常讲究扬声器(喇叭)的放置位置与数目。但是在手机与PDA处理器中,无法放置如此多的扬声器,因此发展出以两个扬声器加上运用硬件或软件的方式,来仿真「3D音效」,亦即所谓的「3D强化立体声音效」(3D Enhancement)。

(图三)为3D强化立体声之声频次系统方块图,用于立体声手机或个人数字处理器中,此声频次系统由下列几个部份组成:

●后级放大器:包括一立体声扬声器(喇叭)驱动器,一立体声耳机驱动器,一单声道耳机放大器(earpiece),和一用于免持听筒之线路输出(line out),例如汽车的免持听筒电话输出。
●音量控制:可提供分为32级的音量控制,而且左、右及单声道的音量均可独立控制。
●混音器:用来选择输出与输入音源之关系,可将立体声及单声道输入传送及混合一起,并将这些输入分为16个不同的输出模式,使系统设计工程师能够灵活传送及混合单声道及立体声声频讯号,不会限定讯号只能传送给立体声扬声器或立体声耳机。
●电源控制与「开关切换噪声」消除电路。
●3D强化立体声,以硬件的方式为之。
●使用I2C兼容接口加以控制芯片的功能。

声音在不同位置传至左右耳朵时,会产生不同相位差。利用此相位差原理和硬件方法,便可以仿真出3D强化立体声音效,即使系统在体积或设备上受到限制,而必须将左右喇叭摆放得很近时,仍然可以改善立体声各高低声部定位的种种问题。

如图三之3D强化立体声方块图所示,一外接之电阻与电容电路用以控制3D 强化立体声之音效,用两个分别的电阻与电容电路来控制立体声扬声器与立体声耳机,如此可达到最佳之3D强化立体声效果。

在此电阻与电容电路中,3D强化立体声效果的「量」是由R3D电阻来设定的,并且成反比关系,C3D电容用以设定3D强化立体声效果的3dB低频截止频率,在低频截止频率以上方能显现出3D强化立体声效果,增加C3D电容值将降低低频截止频率,其关系可用以下公式表示。

(公式七)
f3D(-3dB)=1/2∏(R3D)(C3D)
 


(图三) 3D强化立体声声频子系统方块图

 

 


结论

由于行动电话与个人数字处理器已发展为能够提供各种不同娱乐的多功能可携式设备,厂商们皆尽量采用高度原音的声频系统及寿命较长的电池,并使此类可携式电子产品具备立体声喇叭放大器,多种不同的混音,以及3D强化立体声等功能,同时在外型外也尽量轻薄小巧。但其设计范畴仍不脱离以上所述基本原理,此为本文所要表达之另一目的。(本文原载于零组件杂志第157期;由NS美国国家半导体提供)

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