手機(jī)立體聲聲頻子系統(tǒng)設(shè)計(jì)（LM4888）

新一代移動(dòng)電話已被設(shè)計(jì)成為具備多種娛樂功能的智能型手機(jī)。像是MP3播放器、掌上型游樂器、照相機(jī)，甚或是錄影機(jī)、移動(dòng)電視等功能，都可配置在手機(jī)或可攜式裝置中。基于以上的音效需求，立體聲喇叭能讓手機(jī)為消費(fèi)者帶來(lái)高品質(zhì)的聲光享受，因此成為手機(jī)不可或缺的基本配備。

立體聲喇叭的優(yōu)勢(shì)，在于相同單聲道音頻輸入等級(jí)下，可提供額外的6dB輸出量，而其噪聲輸出等級(jí)卻不會(huì)依6dB等比例增加。這種做法能帶來(lái)更優(yōu)秀的聲頻信號(hào)與噪聲比表現(xiàn)。

由于可攜式裝置或手機(jī)的體積有限，兩個(gè)喇叭的置放距離受限，可能會(huì)靠得很近。立體聲喇叭如果互相靠得太近，音道分離能力便會(huì)減弱，導(dǎo)致兩個(gè)喇叭無(wú)法產(chǎn)生立體聲效果。利用具備3D增強(qiáng)效果的聲頻子系統(tǒng)，便可以增加左右通道的分離效果，從而擴(kuò)大立體聲輸出音效，把受影響的非立體聲音重現(xiàn)為立體聲音效。

立體聲聲頻子系

圖１所示的立體聲聲頻子系統(tǒng)，是一個(gè)包含立體聲聲頻喇叭加耳機(jī)和3D增強(qiáng)裝置的放大器。也就是說，這個(gè)裝置具有立體聲喇叭及立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)功能。當(dāng)電源電壓Vcc=5V時(shí)，立體聲喇叭最大輸出量可達(dá)到1.3W。當(dāng)每個(gè)通道在8Ω負(fù)載下、而負(fù)載降至3Ω時(shí)，則可支援每個(gè)通道達(dá)2.1W的輸出量，而耳機(jī)能夠在32Ω負(fù)載下輸送高達(dá)80mW至每個(gè)通道。此子系統(tǒng)利用兩個(gè)獨(dú)立的控制接腳來(lái)控制停機(jī)和3D開關(guān)，操控方便，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并提供耳機(jī)檢測(cè)功能。

圖1：典型的立體聲聲頻子系統(tǒng)應(yīng)用線路（以 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體LM4888為例）

基于每個(gè)耳機(jī)檢測(cè)電路端口設(shè)計(jì)會(huì)採(cǎi)用不同要求，因此，該聲頻子系統(tǒng)提供兩個(gè)獨(dú)立的耳機(jī)（HP）控制輸入接腳。耳機(jī)的允許輸入可啟動(dòng)SE輸出耳機(jī)模式和關(guān)閉BTL輸出模式。耳機(jī)感應(yīng)檢測(cè)輸入需要用一個(gè)常規(guī)立體聲耳機(jī)插孔配合一起使用。剩余的HP邏輯輸入，能允許使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平（Logic Level）來(lái)控制。

停機(jī)接腳 耳機(jī)邏輯接腳 耳機(jī)插座感應(yīng)接腳 輸出模式

邏輯電平“高” 高 任意 SE輸出

邏輯電平“高” 低 低（耳機(jī)未插入） BTL輸出

邏輯電平“高” 任意 高（耳機(jī)已插入） SE輸出

邏輯電平“低” 任意 任意 微電關(guān)機(jī)

表1. 邏輯電平真值表

在此立體聲聲頻子系統(tǒng)的耳機(jī)檢測(cè)控制接腳中加入一個(gè)邏輯電平，將放大器A（+out）和放大器B（+out）關(guān)閉到靜音，也就是把BTL負(fù)載關(guān)閉到靜音。當(dāng)應(yīng)用SE輸出時(shí)，可把靜態(tài)電流減低。

圖2顯示了如何實(shí)做立體聲聲頻子系統(tǒng)耳機(jī)控制的功能。當(dāng)耳機(jī)尚未插入到耳機(jī)插座時(shí)，R11-R13電壓分壓電路在耳機(jī)檢測(cè)接腳（接腳20）檢測(cè)到一個(gè)約50mv的電壓。這50mv的電壓使放大器A（+out）和B（+out）把立體聲聲頻子系統(tǒng)的BTL驅(qū)動(dòng)打開。當(dāng)立體聲聲頻子系統(tǒng)以BTL模式運(yùn)作時(shí)，在負(fù)載的潛在直流應(yīng)是0V。因此即使在理想條件下，輸出也不會(huì)造成錯(cuò)誤。當(dāng)耳機(jī)插入到耳機(jī)插座時(shí)，耳機(jī)插座內(nèi)部會(huì)把–OUTA連接切斷，并允許R13牽引耳機(jī)檢測(cè)電壓上拉到VDD。此時(shí)將立即啟動(dòng)耳機(jī)功能，關(guān)閉放大器A和B，使BTL喇叭輸出關(guān)閉。放大器繼而驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，耳機(jī)的阻抗與外部電阻R10和R11相差相當(dāng)遠(yuǎn)，所以這些電阻對(duì)立體聲聲頻子系統(tǒng)輸出驅(qū)動(dòng)影響能力是可以忽略的，其原因是典型的耳機(jī)阻抗為32Ω。

圖2也顯示所推薦的耳機(jī)插座電源連接方法。該插座配有三線插頭。插頭的尖端和套圈應(yīng)當(dāng)各負(fù)載兩個(gè)輸出訊號(hào)其中之一，而套筒應(yīng)當(dāng)輸送地面流轉(zhuǎn)。每個(gè)耳機(jī)插座帶有一個(gè)控制接觸接腳，連至耳機(jī)時(shí)足夠驅(qū)動(dòng)耳機(jī)檢測(cè)接腳。還有第二個(gè)輸入電路能夠控制BTL或SE模式的選擇。此輸入控制接腳稱為耳機(jī)邏輯輸入（HP邏輯）。當(dāng)HP邏輯輸入是邏輯電平＂高＂時(shí)，此立體聲聲頻子系統(tǒng)將以SE輸出模式運(yùn)作。當(dāng)HP邏輯輸入是邏輯電平＂低＂時(shí)（而HP檢測(cè)接腳也是邏輯電平＂低＂）時(shí)，此立體聲聲頻子系統(tǒng)將在BTL模式下進(jìn)行操作。

在BTL模式輸出運(yùn)作中（HP邏輯輸入是邏輯高電平＂低＂并且HP檢測(cè)輸入是邏輯高電平＂低＂），耳機(jī)巳直接連到SE輸出那點(diǎn)（在HP插座上不採(cǎi)用HP檢測(cè)接腳），此時(shí)，喇叭（BTL）和耳機(jī)（SE）將會(huì)同時(shí)運(yùn)作。例如：當(dāng)8Ω與32Ω并聯(lián)時(shí)，反向的運(yùn)算放大器輸出同時(shí)能驅(qū)動(dòng)喇叭和HP的負(fù)載，這也不會(huì)影響此立體聲聲頻子系統(tǒng)的運(yùn)作。有一些聲頻放大器不能承受低負(fù)載，但對(duì)此立體聲聲頻子系統(tǒng)而言，當(dāng)喇叭降到3Ω也不會(huì)構(gòu)成問題。

如上所述，採(cǎi)用此立體聲聲頻子系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)喇叭（BTL）和耳機(jī)（SE）負(fù)載是簡(jiǎn)單易行的。然而，只有HP邏輯接腳用于控制BTL / SE操作并且HP檢測(cè)接腳與GND連接時(shí)，此配置才發(fā)揮作用。

3D增強(qiáng)效應(yīng)運(yùn)作

以下以 National 3D 聲頻子系統(tǒng)為例，說明3D增強(qiáng)效應(yīng)如何運(yùn)作。其採(cǎi)用交叉投入技術(shù)，在別通道上加上本通道的一個(gè)特定比例的反相180度信號(hào)。

左擴(kuò)音器輸出出現(xiàn)的聲頻信號(hào)是：

左輸出=（左輸入- 右輸入x比率）

右擴(kuò)音器輸出出現(xiàn)的聲頻信號(hào)是：

右輸出=（右輸入- 左輸入x比率）

R3D 和 C3D兩個(gè)外部元件組成了National 3D增強(qiáng)效應(yīng)的交叉投入網(wǎng)路。此網(wǎng)路也會(huì)產(chǎn)生濾波函數(shù)效果，并能控制截止頻率，而3D效應(yīng)在一特定的截止頻率上開始生效。

f3D（-3dB） = 1 / 2P（R3D）（C3D）

R3D也是設(shè)置我們所需的3D效應(yīng)數(shù)量的一個(gè)要素。降低R3D的值會(huì)增加3D效應(yīng)的數(shù)量。R3D以一個(gè)倍增因數(shù)而增加輸出信號(hào)。

（1 + 20k / R3D）

3D關(guān)閉

3D的邏輯電平是基于0.7Vdd而設(shè)計(jì)的。

當(dāng)3D控制接腳等于邏輯電平＂0＂時(shí)，採(cǎi)用R2與 R8作為增益反饋電路。由于3D增強(qiáng)功能未開啟，因此另一個(gè)頻道將不會(huì)產(chǎn)生任何信號(hào)。

頻道A增益= 2（R2/R1）

頻道B增益= 2（R8/R9）

3D啟動(dòng)

當(dāng)3D控制接腳等于邏輯電平＂1＂時(shí)，設(shè)計(jì)師可以採(cǎi)用R3、R4、R7和R8作為增益反饋電路。在此文件的前面我們已提到3D效應(yīng)是採(cǎi)用交叉投入技術(shù)。充當(dāng)一個(gè)高通濾波器（HPF）的R5、C7和C3D是National 3D增強(qiáng)交叉投入網(wǎng)路的程序塊。由于3D效應(yīng)只在高頻率時(shí)產(chǎn)生，所以輸入頻率需要高于RC網(wǎng)路-3dB點(diǎn)才能啟動(dòng)3D效應(yīng)，當(dāng)輸入頻率不足以啟動(dòng)RC網(wǎng)路時(shí)，反饋通道應(yīng)像一個(gè)典型通道。

輸入頻率<< -3dB點(diǎn)時(shí)

頻道A增益=（R3+R4）/ R1

頻道B增益=（R7+ R8）/ R9

當(dāng)輸入頻率高于-3dB點(diǎn)時(shí)，3D網(wǎng)路將被啟動(dòng)。在此瞬間交叉投入效應(yīng)便進(jìn)行操作。如果輸入異相為180度，那么效應(yīng)將出現(xiàn)。R3D是設(shè)置3D效應(yīng)數(shù)量的要素。降低R3D的值將引起3D效應(yīng)的增加，另外還要注意一點(diǎn)：由于R3D （R5） 和 C3D （C7）是一個(gè)HPF（高通濾波器），當(dāng)改變R3D （R5）的值時(shí)，-3dB點(diǎn)也將同時(shí)改變。

以下為一個(gè)實(shí)例，當(dāng)R1=R3=R4=R7=R8=R9=10K、 R3D= R5=20K C3D= C7= 2200pF、輸入電壓=250mV時(shí)，

-3dB點(diǎn) = 1 / 2pi R3D C3D

= 1/ 2 pi 20K 2200pF

= 3617Hz

–3dB點(diǎn)以下的頻道A增益= 2（（R3+R4） / R1） = 2 （2） = 4

當(dāng)輸入= 250mV，輸出電壓= 250mV x 4 = 1V時(shí)

在兩個(gè)輸入相差為180度時(shí)，交叉投入網(wǎng)路有一個(gè)附加的增益。（1 + 20K/R5）的倍增因數(shù)將引起增益的增加。所以高頻率（-3dB點(diǎn)之后）中的增益為

A頻道的總電壓增益 = 原有增益+其它頻道的附加增益

= 2 （（R3 + R4） /R1） + （1 + （20K/ R3D）

= 2 （（10K + 10K） / 10K） + （1+ （20K/ 20K）

= 6

總電壓增益 = 6 x 250mV

= 1.5V

每當(dāng)3D效應(yīng)啟動(dòng)時(shí)，把R5設(shè)置為20k將導(dǎo)致增益以（1 + 20k/20k） =2 or 6dB的倍增因數(shù)而增加。

以下為實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)測(cè)量結(jié)果。讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入頻率低于3.6KHz時(shí)，輸出電壓為1V，但一旦頻率高于3.6KHz時(shí)，輸出會(huì)增至1.5V。

當(dāng)試圖將R3D從20K降低至10K時(shí)，并且當(dāng)–3dB點(diǎn)保持不變時(shí)：

以下為一個(gè)實(shí)例，當(dāng)R1=R3=R4=R7=R8=R9=10K、R3D= R5=10K C3D= C7= 4700pF、輸入電壓=250mV時(shí)，

-3dB點(diǎn) = 1 / 2pi R3D C3D

= 1/ 2 pi 10K 4700pF

= 3386Hz

–3dB點(diǎn)以下的頻道A增益= 2（（R3+R4） / R1） = 2 （2） = 4：

當(dāng)輸入=250mV、輸出電壓= 250mV x 4 = 1V時(shí)

在兩個(gè)輸入異相為180度時(shí)，交叉投入網(wǎng)路會(huì)增加一個(gè)附加的增益。

（1 + 20K/R5）的倍增：

當(dāng)輸入頻率高于–3dB點(diǎn)時(shí)，以上的公式才會(huì)生效。所有高頻率中（–3dB點(diǎn)之后）的增益為

A頻道的總電壓增益=原有增益+其它頻道的附加增益

= 2 （（R3 + R4） /R1） – （1 + （20K/ R3D）

= 2 （（10K + 10K） / 10K） + （1+ （20K/ 10K）

= 7

總電壓增益 = 7 x 250mV

= 1.75V

觀察到的3D數(shù)量也取決于其它許多因素，如喇叭的放置及與收聽者的距離。因此，建議用戶嘗試R5（R3D）和 C7（C3D）的各種數(shù)值，以感覺3D效應(yīng)如何在應(yīng)用程序中工作。對(duì)于效果來(lái)說沒有什么對(duì)或錯(cuò)，而只是使每位用戶達(dá)到最滿意的程度問題而已。請(qǐng)注意當(dāng)啟動(dòng)3D模式時(shí)，（R3和R4）,（R7和R6）的設(shè)置僅用于增益控制。當(dāng)抑制3D模式時(shí)，增益由R2和R8設(shè)置。

喇叭效率和頻率響應(yīng)

輸送至8W喇叭的0.5W輸出功率的有效響應(yīng)，是影響喇叭效率的因數(shù)。喇叭效率的分級(jí)：0.5W的功率適用于喇叭，以喇叭之前10cm處的聲壓級(jí)（SPL）進(jìn)行分級(jí)。典型的10mm喇叭在85dB和95dB SPL之間。響應(yīng)也受喇叭助聲箱設(shè)計(jì)的影響。

審核編輯 黃宇