《支持差分信令和单端信号的音频接口设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《支持差分信令和单端信号的音频接口设计（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、支持差分信令和单端信号的音频接口设计便携式 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 以与便携式 CD播放 器等.这些系统 的输出 根据 配置 与驱动 的不同而各异. 但这些系统 的输出 在配置 与驱动 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 32的耳机 扬声器 .典型 外置扬声器 系统 的扬声器 阻抗 是4至8,每个声道可能会有多
2、个扬声器 .不过32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. 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 也需要 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 与差分 信号 将产生不同的音量.由于人的听力与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
3、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 与实现 .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,但对于空间狭小的运用而言就不可行.源
4、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 都需要 通过低通滤波 器/ 滤波 器 .原始信号 需要 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 . chn -e中国电子网 电路 的第二 个部分 是音频放大 器.该电路 的解决 方案 与所需的声音质 量有关.真正的
5、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 . co
6、pyright chn- chn -e中国电子网 第二 种实现 方法 是采用 真正的差分 放大 器来驱动 扬声器 .这种放大 器可提供较好的噪声 抑止.与前面的例子不同,此时输入 音频放大 器的信号 需要 是差分 信号 .差分 信号 可利用 运算放大 器或变压器 来实现 .运算放大 器的实现 方法 在尺寸 方面较为便利,但对平衡输入 信号 则存在困难(图4).该运算放大 器的增益 为-1,以将单端输入 信号 变成反向信号 .模拟 开关 在输入 之间转换 以实现 音频放大 器的输入 .这种差分 信号 可以 直接 送入音频放大 器中.图4是电路 图. chn -e中国电子网 替代运算放大 器产生差
7、分 信号 的另一个 方法 是采用 1:1的变压器 .该变压器 可简化电路 ,但增加 了尺寸 ,特别是高度.需要 注意 的是,变压器 的频率 范围需要 处于系统 能够放大的 音频信号 范围之内.原始的输入 信号 需要 采用 交流 旁路电容 来使直流 与地隔离 .模拟 开关 用于使该放大 器的增益 在2倍(单端输入 )与1倍(差分 输入 )之间进行 转换 .变压器 电路 的简化实现 方法 如图5所示.完整 的电路 还需要 包括其它元件 ,以便平衡输入 . chn -e中国电子网 图5：变压器 简化了差分 信号 的产生. 用 标准 单旋电位计可有几种 方法 实现 对音量的控制 .如前所述,旋转 旋钮
8、时,具有对数特性 的电位计能产生平滑的音量控制 .该电位计可以 对电路 进行 计数,从而产生线性 的响应.对于差分 输入 ,单声道系统 需要 2个电位计,而立体声系统 则需要 4个电位计. 最简单 的实现 方法 是在电位计中的 输入 音频信号 与地之间放置 一个 电阻 ,滑动端与音频放大 器的输入 相连接 .滑动端的输出 与输入 信号 成比例.如果音频放大 器需要 大电流 输入 ,则将影响 音频放大 器的输入 电阻 比例,因而不会产生期望的增益 .当电容 与电位计阻抗 相关 时,会出现其它问题 ,很可能产生旁路滤波 器/ 滤波 器 (在电位计中滤掉某些频率 的信号 ). ch n-e .co
9、m - -(ARM,PLC,PC,RF) 图6：在电位计上增加 一个 运算放大 器会影响 音频放大 器的增益 变化 .这个问题 的一种 解决 方案 是在电位计的滑动端增加 一个 运算放大 器(图6).对于输入 端该电路 呈现 的是电位计的静态 阻抗 .运算放大 器直接 驱动 音频放大 器,因而消除了增益 的不同.对该电路 来说,由于音频放大 器无法真正实现 轨至轨(rail-to-rai)输出 ,因此电位计不能通过接地来消除输出 信号 的噪声 . 有几种 方法 可实现 支持 单端与差分 输入 的音频系统 .这些方法 需要 克服一些 问题 ,特别是在牵涉到音量控制 时.每种电路 都有其优点,这取
10、决于设计 者的喜好与系统 驱动 的输出 扬声器 要求 支持差分信令和单端信号的音频接口设计时间：2008-03-05 09:46:00 来源：电子工程专辑 作者：目前附有外部扬声器音频功能的便携设备日趋增多，如MP3播放器、带MP3功能或喇叭的手机、以及便携式CD播放器等，它们的输出根据配置和驱动的不同而各异。 MP3播放器或手机的输出是单端信号，适合驱动32的听筒扬声器。典型外置扬声器系统的扬声器阻抗是4至8，每个声道可能会有多个扬声器。然而32的驱动器难以驱动这些低阻抗扬声器，也就无法提供足够的音量。 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，因此通用的放大器将不适于驱动这些
11、扬声器。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。某些新型高端扬声器系统可支持差分信号，为了后向兼容，这些系统也支持单端信号。 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。人的听力和声音大小的关系符合对数曲线规律，因此就不能采用线性的控制方式(图1)。 对于将输入信号放大为相等输出的单端/差分音频放大器来说，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。两个器件之间的共地连接是必须的。乍看起来，由于信号是直流隔离的，因而交流耦合电容无需与地连接，但实际上这是提供理想噪声性能的需要。 图1: 声级
12、和输出功率间特性曲线。注意音量与音频系统输出功率之间并非线性关系。 图2：利用比较器检测差分信号的电路。 图3：音频放大器的直接实现方法。 图4：利用运算放大器产生输入音频放大器中的反向信号。 图5：简化的变压器电路实现方法。完整的电路还必须包括其它元件来确保原始信号并平衡输入。 图6A：在电位器中增加运算放大器可解决音频放大器增益的问题。 图6B：在电位器中增加运算放大器可解决音频放大器增益的问题。 第一个问题是如何检测输入是单端还是差分信号。在诸多电路中，有两种电路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来说却不可行。源器件既能使
13、该引脚开路也能使该器件接地。 检测差分信号的第二个方法，是利用比较器来测试信号的直流电平，看后者是接地的还是差分信号。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，这将导致错误的检测结果(图2)。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。 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。 对音频放大器来说最简单的办法是将信号输入到一个放大器中(图3)。在单
14、端模式下，该差分输入不产生信号，允许不经转换的输入设置于0.5Vcc上，这就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。 第二种实现方法是采用真正的差分放大器来驱动扬声器。这种放大器可提供较好的噪声抑止。与前面的实例不同，此时输入音频放大器的信号必须是差分信号。差分信号可利用运算放大器或变压器来实现。运算放大器的实现方法有利于系统的尺寸，但对平衡输入信号则存在困难(图4)。该运算放大器的增益为-1，以将单端输入信号变成反向信号。模拟开关在输入之间转换以实现音频放大
15、器的输入。这种差分信号可以直接送入音频放大器中。 替代运算放大器产生差分信号的另一个方法是采用1:1的变压器。该变压器可简化电路，但增加了尺寸，特别是高度。需要注意的是，变压器的频率范围必须在系统能够放大的音频信号范围之内。原始的输入信号必须采用交流旁路电容来使直流与地隔离。模拟开关可用来使该放大器的增益在2倍(单端输入)和1倍(差分输入)之间进行转换。 利用标准单向电位器通过几种方法可以实现对音量的控制。如前面所述，旋转旋纽时，具有对数特性的电位器才能产生平滑的音量控制(图1)。该电位器可以对电路进行计数，从而产生线性的响应。对于差分输入，单声道系统需要2个电位器，而立体声系统则需要4个电位器。 最简单的方法是在电位器中的输入音频信号和地之间放置一个电阻，滑动端与音频放大器的输入相连接。滑动端的输出与输入信号成比例。如果音频放大器需要大电流输入，则将影响音频放大器的输入电阻比例，因而不会产生期望的增益。当电容与电位器阻抗相关时，会出现其它问题，很可能产生旁路滤波器(在电位器中滤掉某些频率的信号)。 一个解决方案是在电位器的滑动端增加一个运算放大器(图6)。对于输入端该电路呈现的是电位器的静态阻抗。运算放大器直接驱动音频放大器，因而消除了增益的不同。对该电路来说，由于音频放大器无法
