如何设计可支持差分和单端信号的便携式产品音频接口
便携式设备的数量发生爆炸性的增长,且新增诸多功能,带有外置扬声器音频播放功能的便携式设备日益增加,例如MP3播放器、带MP3功能或扬声器的手机以及便携式CD播放器等。这些系统的输出根据配置和驱动的不同而各异。 但这些系统的输出在配置和驱动上都有所不同。作者在本文中探讨了可以检测并部署可将输入信号放大到输出相等信号的单端/差分音频放大器的几种方法。
MP3播放器或手机的输出是单端信号,可驱动32Ω的耳机扬声器。典型外置扬声器系统的扬声器阻抗是4至8Ω,每个声道可能会有多个扬声器。不过32Ω的驱动器难以驱动这些低阻抗扬声器,无法为终端用户提供足够的音量。
外部扬声器系统因品质、音量及扬声器数目的不同而有所区别,因此通用放大器不适于驱动这些扬声器。例如,MP3播放器的扬声器系统具有耳机插孔输入端,并能支持单端输出的立体声信号。而某些新型高端扬声器系统则可支持差分信号,为了后向兼容,这些新系统也必须能支持单端信号。
图1：音量与音频系统的输出功率之间不是线性关系。
由于差分信号是单端信号的两倍,因而单端信号和差分信号将产生不同的音量。由于人的听力和声音大小的关系符合对数曲线规律,因此不能采用线性的控制方式(图1)。
对于可将输入信号放大到与输出相等信号的单端/差分音频放大器,有几种方法可以对其进行检测和实现。系统之间的接口连接器应至少有5个引脚才能提供差分信号。需要注意的是,两个器件之间的共地连接非常重要。表面上看,由于信号是直流隔离的,因而交流耦合电容无需接地,但实际经验证明接地是提供理想噪声性能所必需的。
图2：使用比较器电路的差分信号检测。
第一个要解决的问题是检测输入是单端还是差分信号。在许多电路中,有两种电路采用连接器的一个外部引脚来测试输入信号的直流电平。指定连接器的一个外部引脚很容易,但对于空间狭小的应用而言就不可行。源器件或使引脚开路或使其短接至地。
检测差分信号的第二种方法,是利用比较器来检测信号的直流电平,或是接地或是差分信号。以上两种方法的输入信号都必须通过低通滤波器。原始信号必须分离为其直流电平的50%至25%,如果系统在低频、高峰峰值交流信号的差分模式下,将导致错误的检测结果。若原始信号的直流电平是地电平的话,这种技术也不能使用。图2所示此类电路的实例。
图3：音频放大器的直接实现方法。
电路的第二个部分是音频放大器。该电路的解决方案和所需的声音质量有关。真正的差分输入比进入一个放大器的差分信号能提供更高的声音质量,实际的差分放大器需要一个附加电路将单端信号转换为差分输入信号。
音频放大器最容易的实现方法是将信号输入到一个放大器中(图3)。在单端模式下,该差分输入不产生信号,允许正相输入设置为0.5Vcc,这是标准的单端输入配置。模拟开关保持在断开状态,以使放大器输出2倍的增益。在差分模式下,模拟开关闭合,增益变为1。因此对于不同的输入模式,这两种输入信号都会产生相同的输出信号幅度。
图4：运算放大器用于在差分音频放大器中产生反向信号。
