探讨智能手机的音频放大器方案

中心议题：
    *  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
解决方案：
    *  扬声器放大器解决方案
    *  耳机放大器解决方案
    *  音频子系统方案——高集成度的音频管理集成电路

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）。

图1：智能手机的音频放大应用示意图
　　
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，但真实接地结构的能效不高。总的来看，真实接地方案提供更低失真及更小方案尺寸，重点是要提高能效，帮助延长音频播放时间。
　　
对于耳机放大器而言，为了提供舒适的听力水平，静态功率（即静态电流）就是其总体功耗的主要构成部分。因此，将静态电流降至最低对于提高耳机放大器的能效至关重要。NCP2815是安森美半导体推出的一款超低静态电流（Iq）立体声耳机放大器，提供1.8 mA的超低静态电流，帮助延长音频播放时间。
　　
这器件还提供高阻抗（High Z）输出模式，支持音频插孔的音频输入/输出。NCP2815支持共模感测，能够消除接地环路噪声。这器件支持1.6 V至3.6 V的宽电源电压，采用1.8 V电压供电、负载为16Ω条件下的功耗仅为20 mW，总谐波失真加噪声（THD + N）小于0.01%。NCP2815提供-100 dB的高电源抑制比，提供固定内部增益（-1.5 V/V）或外部可调节增益，还提供爆破音（pop）和嘀嗒音（click）噪声消除电路。1.2 mm x 1.6 mm的CSP封装使NCP2815成为市场上同类器件尺寸最小的产品。

图4：NCP2815“长播放时间”立体声耳机放大器框图
　

　
音频子系统方案——高集成度的音频管理集成电路
　　
安森美半导体身为应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商，不仅推出上述独立的高性能扬声器放大器及立体声耳机放大器，也推出集成了立体声耳机放大器、扬声器放大器及I2C控制的音频子系统方案——音频管理集成电路（AMIC），在扬声器及耳机输出的2路音频输入源之间提供灵活的布线及多工（muxing），如NCP2704及NCP2705等。

图5：音频管理集成电路功能示意图
　　
其中，NCP2704是一款带斜坡控制的PWM D类音频管理集成电器，帮助有效降低EMI。这器件提供完全可编程的自动增益控制功能，确保提供极佳音频输出质量并保护扬声器。NCP2704集成的耳机放大器具有超低静态电流消耗特性，帮助延长音频播放时间。这器件还提供丰富的输入/输出多工控制，提高器件的灵活性。NCP2704集成的耳机放大器的THD+N值仅为0.02%，扬声器放大器则为0.042%；相应的耳机放大器电源抑制比为-100 dB，扬声器放大器为-89 dB。NCP2704提供较宽且精确的增益选择 （静音及-60 dB至+12 dB）。
　　
NCP2705也是一款D类音频管理集成电路，主要功能与NCP2704类似，但NCP2705增加了共模感测功能。此功能可以改善串扰性能，特别是在带寄生电阻的FM调谐器的情形下。NCP2705的THD+N值更低，耳机放大器为0.01%，扬声器放大器为0.017%。

图6：带共模感测功能的D类音频管理集成电路NCP2705框图
　　
总结
　　
智能手机等便携产品的音频输出应用需要低EMI、低失真、高电源抑制比及高能效的音频放大方案。设计人员采用安森美半导体提供的带斜坡控制功能的D类扬声器放大器NCP2824，能够有效地降低对射频电路的高频EMI干扰，同时借助“不削波”自动增益控制（AGC）功能确保扬声器播放音频时提供低失真，及借助“功率限制器”AGC功能保护扬声器免受损坏。同时，设计人员采用安森美半导体提供的超低静态电流立体声耳机放大器NCP2815，延长智能手机音频播放时间。 而NCP2704和NCP2705均是带低EMI D类放大器、自动增益控制和“长播放时间”耳机放大器的音频管理集成电路，藉I2C提供灵活的多工及布线。