手機立體聲聲頻子系統(tǒng)設(shè)計（LM4888）

新一代移動電話已被設(shè)計成為具備多種娛樂功能的智能型手機。像是MP3播放器、掌上型游樂器、照相機，甚或是錄影機、移動電視等功能，都可配置在手機或可攜式裝置中?；谝陨系囊粜枨?，立體聲喇叭能讓手機為消費者帶來高品質(zhì)的聲光享受，因此成為手機不可或缺的基本配備。

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

由于可攜式裝置或手機的體積有限，兩個喇叭的置放距離受限，可能會靠得很近。立體聲喇叭如果互相靠得太近，音道分離能力便會減弱，導致兩個喇叭無法產(chǎn)生立體聲效果。利用具備3D增強效果的聲頻子系統(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)，是一個包含立體聲聲頻喇叭加耳機和3D增強裝置的放大器。也就是說，這個裝置具有立體聲喇叭及立體聲耳機驅(qū)動功能。當電源電壓Vcc=5V時，立體聲喇叭最大輸出量可達到1.3W。當每個通道在8Ω負載下、而負載降至3Ω時，則可支援每個通道達2.1W的輸出量，而耳機能夠在32Ω負載下輸送高達80mW至每個通道。此子系統(tǒng)利用兩個獨立的控制接腳來控制停機和3D開關(guān)，操控方便，設(shè)計簡單，并提供耳機檢測功能。

圖1：典型的立體聲聲頻子系統(tǒng)應用線路（以 美國國家半導體LM4888為例）

基于每個耳機檢測電路端口設(shè)計會採用不同要求，因此，該聲頻子系統(tǒng)提供兩個獨立的耳機（HP）控制輸入接腳。耳機的允許輸入可啟動SE輸出耳機模式和關(guān)閉BTL輸出模式。耳機感應檢測輸入需要用一個常規(guī)立體聲耳機插孔配合一起使用。剩余的HP邏輯輸入，能允許使用一個標準邏輯電平（Logic Level）來控制。

停機接腳 耳機邏輯接腳 耳機插座感應接腳 輸出模式

邏輯電平“高” 高 任意 SE輸出

邏輯電平“高” 低 低（耳機未插入） BTL輸出

邏輯電平“高” 任意 高（耳機已插入） SE輸出

邏輯電平“低” 任意 任意 微電關(guān)機

表1. 邏輯電平真值表

在此立體聲聲頻子系統(tǒng)的耳機檢測控制接腳中加入一個邏輯電平，將放大器A（+out）和放大器B（+out）關(guān)閉到靜音，也就是把BTL負載關(guān)閉到靜音。當應用SE輸出時，可把靜態(tài)電流減低。

圖2顯示了如何實做立體聲聲頻子系統(tǒng)耳機控制的功能。當耳機尚未插入到耳機插座時，R11-R13電壓分壓電路在耳機檢測接腳（接腳20）檢測到一個約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)動打開。當立體聲聲頻子系統(tǒng)以BTL模式運作時，在負載的潛在直流應是0V。因此即使在理想條件下，輸出也不會造成錯誤。當耳機插入到耳機插座時，耳機插座內(nèi)部會把–OUTA連接切斷，并允許R13牽引耳機檢測電壓上拉到VDD。此時將立即啟動耳機功能，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)動耳機，耳機的阻抗與外部電阻R10和R11相差相當遠，所以這些電阻對立體聲聲頻子系統(tǒng)輸出驅(qū)動影響能力是可以忽略的，其原因是典型的耳機阻抗為32Ω。

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

在BTL模式輸出運作中（HP邏輯輸入是邏輯高電平＂低＂并且HP檢測輸入是邏輯高電平＂低＂），耳機巳直接連到SE輸出那點（在HP插座上不採用HP檢測接腳），此時，喇叭（BTL）和耳機（SE）將會同時運作。例如：當8Ω與32Ω并聯(lián)時，反向的運算放大器輸出同時能驅(qū)動喇叭和HP的負載，這也不會影響此立體聲聲頻子系統(tǒng)的運作。有一些聲頻放大器不能承受低負載，但對此立體聲聲頻子系統(tǒng)而言，當喇叭降到3Ω也不會構(gòu)成問題。

如上所述，採用此立體聲聲頻子系統(tǒng)來驅(qū)動喇叭（BTL）和耳機（SE）負載是簡單易行的。然而，只有HP邏輯接腳用于控制BTL / SE操作并且HP檢測接腳與GND連接時，此配置才發(fā)揮作用。

3D增強效應運作

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

左擴音器輸出出現(xiàn)的聲頻信號是：

左輸出=（左輸入- 右輸入x比率）

右擴音器輸出出現(xiàn)的聲頻信號是：

右輸出=（右輸入- 左輸入x比率）

R3D 和 C3D兩個外部元件組成了National 3D增強效應的交叉投入網(wǎng)路。此網(wǎng)路也會產(chǎn)生濾波函數(shù)效果，并能控制截止頻率，而3D效應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效應數(shù)量的一個要素。降低R3D的值會增加3D效應的數(shù)量。R3D以一個倍增因數(shù)而增加輸出信號。

（1 + 20k / R3D）

3D關(guān)閉

3D的邏輯電平是基于0.7Vdd而設(shè)計的。

當3D控制接腳等于邏輯電平＂0＂時，採用R2與 R8作為增益反饋電路。由于3D增強功能未開啟，因此另一個頻道將不會產(chǎn)生任何信號。

頻道A增益= 2（R2/R1）

頻道B增益= 2（R8/R9）

3D啟動

當3D控制接腳等于邏輯電平＂1＂時，設(shè)計師可以採用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效應是採用交叉投入技術(shù)。充當一個高通濾波器（HPF）的R5、C7和C3D是National 3D增強交叉投入網(wǎng)路的程序塊。由于3D效應只在高頻率時產(chǎn)生，所以輸入頻率需要高于RC網(wǎng)路-3dB點才能啟動3D效應，當輸入頻率不足以啟動RC網(wǎng)路時，反饋通道應像一個典型通道。

輸入頻率<< -3dB點時

頻道A增益=（R3+R4）/ R1

頻道B增益=（R7+ R8）/ R9

當輸入頻率高于-3dB點時，3D網(wǎng)路將被啟動。在此瞬間交叉投入效應便進行操作。如果輸入異相為180度，那么效應將出現(xiàn)。R3D是設(shè)置3D效應數(shù)量的要素。降低R3D的值將引起3D效應的增加，另外還要注意一點：由于R3D （R5） 和 C3D （C7）是一個HPF（高通濾波器），當改變R3D （R5）的值時，-3dB點也將同時改變。

以下為一個實例，當R1=R3=R4=R7=R8=R9=10K、 R3D= R5=20K C3D= C7= 2200pF、輸入電壓=250mV時，

-3dB點 = 1 / 2pi R3D C3D

= 1/ 2 pi 20K 2200pF

= 3617Hz

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

當輸入= 250mV，輸出電壓= 250mV x 4 = 1V時

在兩個輸入相差為180度時，交叉投入網(wǎng)路有一個附加的增益。（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3D效應啟動時，把R5設(shè)置為20k將導致增益以（1 + 20k/20k） =2 or 6dB的倍增因數(shù)而增加。

以下為實驗室的一個測量結(jié)果。讀者會發(fā)現(xiàn)當輸入頻率低于3.6KHz時，輸出電壓為1V，但一旦頻率高于3.6KHz時，輸出會增至1.5V。

當試圖將R3D從20K降低至10K時，并且當–3dB點保持不變時：

以下為一個實例，當R1=R3=R4=R7=R8=R9=10K、R3D= R5=10K C3D= C7= 4700pF、輸入電壓=250mV時，

-3dB點 = 1 / 2pi R3D C3D

= 1/ 2 pi 10K 4700pF

= 3386Hz

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

當輸入=250mV、輸出電壓= 250mV x 4 = 1V時

在兩個輸入異相為180度時，交叉投入網(wǎng)路會增加一個附加的增益。

（1 + 20K/R5）的倍增：

當輸入頻率高于–3dB點時，以上的公式才會生效。所有高頻率中（–3dB點之后）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效應如何在應用程序中工作。對于效果來說沒有什么對或錯，而只是使每位用戶達到最滿意的程度問題而已。請注意當啟動3D模式時，（R3和R4）,（R7和R6）的設(shè)置僅用于增益控制。當抑制3D模式時，增益由R2和R8設(shè)置。

喇叭效率和頻率響應

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

審核編輯 黃宇