详解智能手机音频放大器电路设计

近年来，智能手机集成的功能越来越多，但在基本的音频放大应用方面，在继续优化性能表现及用户音频体验方面仍有继续提升的空间。原因是智能手机存在着特殊的音频要求，例如：智能手机存在基带/应用处理器、调频（FM）广播、蓝牙（耳机）等多种音频输入源；编解码器（CODEC）可以集成在模拟基带中，也可独立存在；多数情况下最少是扬声器放大器保持单独存在（不集成），从而提供足够输出功率；耳机放大器外置，配合高保真（Hi-Fi）音乐播放。本文将重点探讨智能手机的扬声器放大器及耳机放大器性能要求，介绍安森美半导体相应的音频放大解决方案，以及集成了立体声耳机放大器、D类扬声器放大器及I2C控制的新的音频子系统方案--音频管理集成电路（AMIC）。

扬声器放大器性能要求及解决方案

对于智能手机而言，期望的扬声器放大器应当提供低电磁干扰（EMI），避免与智能手机中的其它射频（RF）电路产生干扰。就用户的实际应用而言，用户有时候会想要在公共场合进行免提语音通话，有时候会想要带音频播放的视频观看。这就要求扬声器放大器提供具有高识别度的输出音量，同时提供低失真。此外，低噪声也是所期望的扬声器放大器提供的重要特性。具体而言，这就要求扬声器放大器具有高电源抑制比（PSRR），从而抑制GSM信号传输期间电池电压波动产生的时分多址（TDMA）噪声；亦要求导通及关闭期间无爆破音（pop）和嘀嗒音（click）噪声。

图1：智能手机的音频放大应用示意图

图2：降低EMI的不同技术

要满足智能手机扬声器放大器的这些期望性能要求，D类放大器是极佳选择。如D类放大器提供极低EMI，避免与其它RF电路产生干扰。实际上，D类放大器将输入的模拟音频信号转换为脉宽调制（PWM）的脉冲信号，再以此脉冲信号控制开关器件来导通/关闭音频功率放大器。对于智能手机应用而言，要降低音频输出段的EMI，重要的是减少较高频率的频谱部分。传统PWM技术没有特定手段来应对。但要做到这一点，可以采用两种技术，一是PWM扩频调制（开关频率变化），一是带斜坡控制的PWM（延缓上升/下降时间）。相比较而言，斜坡控制技术比扩频调制技术在减少较高频率的频谱方面更为有效，更有利于降低EMI。

安森美半导体的NCP2824 是一款2.8 W单声道D类放大器，采用斜坡控制技术来提供低EMI。此外，NCP2824藉单线（Single-Wire）接口提供可实时配置的自动增益控制（AGC）功能。其自动增益控制功能包含两种模式，分别是不削波（non-clipping）和功率限制器模式。对于扬声器放大器而言，在智能手机的电池电压很低条件下会出现削波，导致输出摆幅减小及饱和。NCP2824的自动增益控制"不削波"功能可以维持低失真，可以选择最大总谐波失真（THD）阈值。另一方面，在高输出功率条件下会出现过高输出功率，致使输出摆幅减小及饱和。功率限制器功能限制放大器的输出功率（可选择最大输出电压阈值），保护扬声器免受过高音量导致的损伤。

图3：NCP2824支持不削波和功率限制器模式的自动增益控制

除了具有低EMI和低失真，NCP2824在音频放大器的其它关键性能指标上也表现极佳。例如，这器件具有达95 dB的优异信噪比（SNR）性能，提供极佳的音频表现。此外，NCP2824也具有极佳的电源抑制比（PSSR），217 Hz频率时PSSR为-72 dB。NCP2824还提供高达92%的能效，有助于延长便携设备电池使用时间。这器件采用2.5 V至5.5 V电压工作，支持全差分输入（从而消除输入耦合电容），仅须使用1颗外部电容。这器件还提供短路保护电路，用于智能手机及移动互联网设备（MID）、导航设备、便携游戏机及便携式媒体播放器等应用。

耳机放大器性能要求及解决方案

智能手机用户期望通过耳机欣赏具有高保真（Hi-Fi）品质的音乐播放，这就要求耳机放大器具有低失真。由于耳机接近人耳，直接影响用户的听觉体验，故耳机放大器须无可听噪声，此特性对于耳机放大器的重要性比对于扬声器放大器的重要性更高。此外，耳机放大器也要求具有高能效，帮助延长音乐播放时间。

为了满足消费者对耳机音频质量更高的要求，智能手机等便携消费类设备需要高质量的立体声耳机放大器。而设计人员在设计立体声耳机放大器输出段时，需要从电容耦合及真实接地（true ground）等不同选择中选出更适合的方案。电容耦合方案的能效高，因为电源仅为正输出信号供电；但这种方案要使用大耦合电容（会滋生尺寸及成本问题），而且低频时声音品质较差。相比较而言，真实接地方案无须使用耦合电容，具有良好的低频响应性能，且耳机真接地配合使用常规转换器，但真实接地结构