音频系统在手机与PDA中的应用与探讨

音频功率放大器在便携式产品中的考虑因素
　　1)较高的PSRR
　　必须具有较高的Power supply rejection ratio (PSRR)，可以避免受到电源与布线噪声的干扰。
　　2)快速的开关机(Fast turn on & off)
　　拥有长时间的待机时间，是手机或个人数字助理的基本要求，AB 类音频放大器的效率约为50%至60%，D类音频放大器的效率可达85%至90%。不管使用何种音频放大器，为了节省功率消耗，在不需要用到音频放大器时，均需进入待机状态。然而当一有声音出现时，音频放大器必须马上进入开机状态。
　　3)无"开关/切换噪音" (Click & Pop)
　　开关/切换噪音" 常出现于音频放大器进入开关机时，或是由待机回复至正常状态，或是217 Hz手机通信信号时。手机或个人数字助理的使用者绝不会希望听到扰人的噪音，将"Click & Pop"消除电路加入音频放大器中，是必备条件。
　　4）较低的工作电压
　　为增长电池使用时间，常需低至1.8V，仍可工作。
　　5）低电流消耗与高效率
　　使用CMOS工艺的IC，可降低电流消耗。有时需选择D类音频放大器，目的是延长手机或个人数字助理的工作时间。
　　6）高输出功率
　　在相同工作电压下具有较高的输出功率，即输出信号的摆幅越接近Vcc与GND时，其输出功率越高。
　　7）较小的封装 (uSMD)
　　手机或个人数字助理的外观越来越小巧，使得IC封装技术越来越重要，uSMD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1所示，其增益为:
　　Gain = RF/Ri
　　Rf：反馈电阻，Ri：输入电阻
　　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2所示，由两个单端式(Single-end)放大器以相差180 组成，故其增益为：
　　Gain = 2Rf/Ri
　　Rf：反馈电阻，Ri：输入电阻
　　由输出功率 = (VRMS)2/Rload，桥接式VRMS= 2 Vpeak /21/2
　　因此：桥接式输出功率 = 2 (Vpeak)2/Rload= 4 单端式放大器输出功率

　　图2 桥接式放大器与作用于喇叭正负端的波形

输入与输出耦合电容值的选择
　　如图1，输入电阻与输入耦合电容形成一个高通滤波器，如欲得到较低的频率响应，则需选择较大的电容值，关系可用以下公示表示。
　　fC = 1/2 (RI)(CI)
　　fC：高通滤波截止频率，RI：输入电阻
　　CI：输入耦合电容值，此电容用来阻隔直流电压并且将输入信号耦合至放大器的输入端。
　　在移动通信系统中，由于体积的限制，即使使用较大的输入耦合电容值，扬声器通常也无法显示出50Hz以下的频率响应。因此，假设输入电阻为20K ，只需输入耦合电容值大于0.19 F即可。在此状况下，0.22 F 是最适当选择。
　　就输出耦合电容值的设定而言，同图1中，如欲得到较佳的频率响应，电容值亦需选择较大的容值，关系可用以下公式表示：
　　fC=1/2(RL)(CO)
　　fC：高通滤波截止频率，RL：喇叭(耳机)的电阻，CO：输出耦合电容值
　　例如，当使用32 的耳机，如希望得到50Hz 的频率响应时，则需选择99 F的输出耦合电容值。在此状况下，100 F是最适当选择。
　　散热(Thermal)考虑
　　在设计单端式(Single-end)放大器或是桥接式(BTL)放大器时，功率消耗是主要考虑因素之一，增加输出功率至负载，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:
　　PDMAX_BTL= 4(VDD)2/(2 2RL)
　　VDD：加于桥接式(BTL)放大器的电源电压，RL ：负载电阻
　　例如，当VDD=5V，RL=8 时，桥接式放大器的功率消耗为634mW。如负载电阻改成32 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：
　　PDMAX_SE= (VDD)2/(2 2RL)
　　VDD：加于单端式(Single-end)放大器的电源电压，RL：负载电阻，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( JA)即是温升。
　　布线(Layout) 考虑
　　设计人员在布线上，有一些基本方针必须加以遵守，例如
　　1）所有信号线尽可能单点接地。
　　2）为避免两信号互相干扰，应避免平行走线，而以90 跨过方式布线。
　　3）数字电源，接地应和模拟电源分开。
　　4）高速数字信号走线应远离模拟信号走线，也不可置于模拟元件下方。
　　3D增强立体声的应用
　　大部分人认为，"3D音效"既不是单声道，也不是双声道，它是一种音频的处理技术，使聆听者在非实际的环境下，感觉到发出声音的地点，这就必须非常讲究扬声器(喇叭)的放置位置与数目。但是在手机与个人数字助理中，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模拟"3D音效"，就是所谓的"3D增强立体声音效"(3D Enhancement) 。
　　图3为3D增强立体声的音频次系统方块图，用于立体声手机或个人数字助理中，此音频次系统由下列几个部份组成：
　　1）后级放大器部分，包括一个立体声扬声器(喇叭)驱动器，一个立体声耳机驱动器，一个单声道耳机放大器 (earpiece)和一个用于免提听筒的线路输出 (line out) (例如汽车的免提听筒电话输出)。
　　2）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。
3）混音器，用来选择输出与输入音源的关系，可将立体声及单声道输入传送并混合在一起，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混合单声道及立体声音频信号，不会限定信号只能传送给立体声扬声器或立体声耳机。
　　4）电源控制与"开关/切换嘈音" 抑制电路。
　　5）3D增强立体声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。
　　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增强立体声音效。即使系统在体积或设备上受到限制，而必需将左右喇叭摆放得很近时，仍然可以改善立体声各个高低声部的定位的种种问题。