雙聲道混合音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳繼偉

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司網(wǎng)通分公司，廣東廣州 510663)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生活水平的提高，越來(lái)越多帶有音頻輸出功能的電子產(chǎn)品開(kāi)始出現(xiàn)，如MP3/MP4、手機(jī)、電子書(shū)等;以及集成了音頻系統(tǒng)功能的汽車(chē)、電腦、家庭音響等也不斷更新?lián)Q代，生活中已逐漸離不開(kāi)音頻的相關(guān)產(chǎn)品。而在這些產(chǎn)品中，有單聲道輸入及單聲道輸出;或是兩聲道或更多聲道輸入及單聲道輸出;以及多聲道輸入和多聲道輸出。

現(xiàn)有音頻相關(guān)產(chǎn)品的系統(tǒng)解決方案中，采用運(yùn)算放大器、功率放大器等集成電路實(shí)現(xiàn)的音頻系統(tǒng)，大部分是單聲道輸入及單聲道輸出類(lèi)型，而對(duì)例如多聲道輸入及單聲道輸出或單聲道輸入及多聲道輸出等類(lèi)型的系統(tǒng)解決方案卻較少提及。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，雖然各大半導(dǎo)體廠商已經(jīng)就多輸入及多輸出音頻系統(tǒng)推出芯片級(jí)解決方案，如ADI公司推出音頻編解碼器ADAU1761，可同時(shí)提供4路聲道輸入及6路聲道輸出，但該設(shè)計(jì)方案成本較高，需增加其他處理器對(duì)其進(jìn)行參數(shù)配置等，但設(shè)計(jì)復(fù)雜，不適應(yīng)在要求設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低等場(chǎng)合。故文中將以雙聲道輸入及單聲道輸出為例，闡述采用運(yùn)算放大器及功率放大器等實(shí)現(xiàn)雙聲道混合音頻系統(tǒng)的解決方案，可為其他應(yīng)用場(chǎng)合的音頻系統(tǒng)解決方案提供參考。

1 系統(tǒng)的解決方案

根據(jù)雙聲道混合音頻系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，該系統(tǒng)有兩路聲道輸入源，經(jīng)整合后單路聲道輸出。在該系統(tǒng)應(yīng)用中，雙聲道輸入源信號(hào)幅值及頻率等均有可能不同，且同一時(shí)刻任意一路聲道源都將可能成為音頻系統(tǒng)輸入源時(shí)，如何將變換不同輸入源到音頻系統(tǒng)后，還能保持低噪聲使兩輸入源能正常輸出到喇叭而不產(chǎn)生串?dāng)_。針對(duì)以上問(wèn)題，需設(shè)計(jì)不同的前級(jí)緩沖電路以匹配不同的輸入源，以達(dá)到解決上述問(wèn)題的目的。

圖1 系統(tǒng)解決方案的組成框圖

制定系統(tǒng)的解決方案時(shí)應(yīng)注重安全性、穩(wěn)定性和性?xún)r(jià)比等問(wèn)題，故采用集成電路和分立元件相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)解決方案的組成框圖如圖1所示，其主要由前級(jí)緩沖電路、中間級(jí)混合電路及后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路等3部分組成。前級(jí)要求是不失真的電壓傳輸;中間級(jí)完成相應(yīng)聲道源信號(hào)的混合等功能;后級(jí)是為獲得一定的不失真輸出功率，達(dá)到更好驅(qū)動(dòng)負(fù)載的目的，即可完成系統(tǒng)功能。

2 系統(tǒng)中各部分電路設(shè)計(jì)

2.1 前級(jí)緩沖電路設(shè)計(jì)

前級(jí)緩沖電路位于系統(tǒng)的最前端，與輸入源起信號(hào)匹配作用，通常由輸入阻抗高、輸出阻抗低的射極輸出器或電壓跟隨器構(gòu)成。文中只給出其中一路聲道前級(jí)緩沖電路圖，另一路只需針對(duì)不同聲道輸入源，改變電路中個(gè)別器件參數(shù)即可。圖2是聲道一前級(jí)緩沖電路圖。

圖2 聲道一前級(jí)緩沖電路圖

音頻變壓器T1可使兩個(gè)不同系統(tǒng)因地電位不同避免其直接連通;且因與輸入源僅通過(guò)磁路連接，可切斷地環(huán)路電流，故可避免形成地線(xiàn)環(huán)路干擾及降低因直接互連造成的噪聲。音頻輸入源通常均是小信號(hào)，且?jiàn)A雜著一定噪聲干擾，系統(tǒng)各級(jí)電路除放大有用的小信號(hào)外，也將同時(shí)放大微弱的噪聲干擾，最后形成噪聲。在信號(hào)通道中引入低通濾波器，可有效抑制噪聲［1］。為達(dá)到更好的擬制效果，電路設(shè)計(jì)時(shí)既采用了無(wú)源低通濾波器，又采用了有源低通濾波器。

無(wú)源低通濾波網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)無(wú)源一階低通RC濾波網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)組成，級(jí)聯(lián)后的低通濾波器得到一定衰減斜率的特性，有助于改善信號(hào)的頻率特性。有源低通濾波網(wǎng)絡(luò)，其核心器件是運(yùn)算放大器NE5532，由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗較高，而輸出阻抗又較低，因而構(gòu)成有濾波器且具有一定的電壓放大和緩沖作用，所以應(yīng)用廣泛［2-3］。

集成運(yùn)放NE5532具有較好的噪聲性能、優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及較高的小信號(hào)帶寬和電源電壓范圍大等特點(diǎn)，是一種在音頻系統(tǒng)方面應(yīng)用的通用雙運(yùn)算放大器，適用于在高品質(zhì)和專(zhuān)業(yè)音響等設(shè)備中的通道放大器，用作音頻放大時(shí)音色溫暖、保真度高。設(shè)計(jì)時(shí)采用+5 V單電源供電，為獲得最大的信號(hào)擺幅，其直流偏置點(diǎn)通常設(shè)定為供電電壓的1/2，設(shè)計(jì)采用電阻分壓法，即通過(guò)用阻值相等的兩個(gè)電阻R8、R9組成分壓網(wǎng)絡(luò)，形成VCC/2(2.5 V)的偏置電壓，作為運(yùn)放工作時(shí)的虛地;C11是旁路電容，用以旁路正向輸入端的交流信號(hào)，便可提高交流的電源抑制能力;C13和C14是去耦電容，其可為元器件提供一個(gè)局部的直流源，這對(duì)減小電流在板上傳播浪涌尖峰作用明顯［4］;C2和C6是耦合電容，R1是反饋電阻，R3是反向端輸入電阻，通過(guò)改變電阻R1與R3的阻值，即可調(diào)整前級(jí)緩沖電路的信號(hào)輸出幅度。

2.2 中間級(jí)混合電路設(shè)計(jì)

中間級(jí)混合電路位于前級(jí)緩沖電路及后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路之間，在音頻系統(tǒng)中起著橋梁的作用，可將前級(jí)緩沖電路的輸出信號(hào)，根據(jù)后級(jí)電路的需求，對(duì)信號(hào)作出進(jìn)一步調(diào)整;此外中間級(jí)混合電路還具有一個(gè)重要的功能，便是將兩路輸入的音頻信號(hào)，混合成一路音頻信號(hào)輸出，即完成兩路信號(hào)的疊加。

自運(yùn)算放大器問(wèn)世后，就被廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表、音響設(shè)備及通訊系統(tǒng)中，通常被用作加法器。中間級(jí)混合電路如圖3所示，該電路由基本的反相加法器組成，運(yùn)算放大器同樣選用低噪聲運(yùn)放NE5532。

圖3 中間級(jí)混合電路圖

根據(jù)理想運(yùn)算放大器兩條規(guī)則［5］:“虛斷”和“虛短”，輸出電壓計(jì)算公式為Vout=-R4(V1/R5+V2/R7);若:R4=R5=R7，則Vout=-(V1+V2)。由公式可知，混合電路的功能是將兩路音頻信號(hào)相加，輸出信號(hào)是兩個(gè)輸入信號(hào)的反相求和，且可選擇輸入電阻和反饋電阻的阻值，來(lái)改變某一或所有輸入信號(hào)在輸出信號(hào)中的比例，以達(dá)到調(diào)整信號(hào)的目的。

2.3 后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路在音頻系統(tǒng)中起著重要作用，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的驅(qū)動(dòng)電路，將為負(fù)載提供足夠的信號(hào)功率，且要保持較低噪聲和失真。功率放大器是驅(qū)動(dòng)放大電路的核心，其性能影響著整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)中選用LM4871功放芯片，其是一款橋式音頻功率放大器。主要特性如下:(1)工作電壓范圍寬為2.0～5.5 V;(2)輸出功率(THD+N＜10%)為2.5 W(4 Ω負(fù)載);(3)掉電模式漏電流為0.6 μA(典型);(4)高電平ShutDown;(5)外部增益可調(diào)。

LM4871的應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，只需少數(shù)外圍器件，后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。LM4871選用SOP封裝，適用于大音量、小體重的便攜系統(tǒng)中;并可通過(guò)控制進(jìn)入休眠模式，從而減少功耗;其內(nèi)部具有過(guò)熱自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)機(jī)制，工作穩(wěn)定。通過(guò)配置外圍電阻R12可調(diào)整放大器的電壓增益;調(diào)整R15可變電阻阻值來(lái)控制喇叭音量;控制S1開(kāi)關(guān)可直接關(guān)閉或打開(kāi)喇叭。功率放大器輸出無(wú)需外接耦合電容或自舉電容及緩沖網(wǎng)絡(luò)，便于應(yīng)用、節(jié)省系統(tǒng)成本，同時(shí)還可提高系統(tǒng)可靠性。

圖4 后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路圖

3 系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)

在音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PCB是一個(gè)完整產(chǎn)品的縮影，是用以支撐電路元件，并提供電路元器件之間電氣連接的重要組件。PCB設(shè)計(jì)完成后，其核心電路的騷擾和抗擾特性就可基本確定，良好的PCB設(shè)計(jì)必須在充分發(fā)揮每個(gè)互聯(lián)器件性能優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，避免或盡量降低各部分電路之間的相互干擾。

3.1 PCB布局

任何PCB設(shè)計(jì)的第一步均是選擇每個(gè)元件的PCB擺放位置，良好的PCB布局可減少信號(hào)互連、地線(xiàn)劃分、噪音耦合以及電路板的占用面積。對(duì)于音頻電路，接地正確與否對(duì)于是否能夠達(dá)到音頻系統(tǒng)的性能要求至關(guān)重要，不合理地線(xiàn)布局將導(dǎo)致地環(huán)路干擾、公共阻抗干擾、電磁耦合干擾等。PCB接地大致可分為以下3種方式:單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地［6］。一個(gè)有著良好平面的PCB，不但可降低共模電流產(chǎn)生的壓降，同時(shí)也是減小環(huán)路的重要手段。

串聯(lián)單點(diǎn)接地容易產(chǎn)生公共阻抗耦合問(wèn)題，解決的方法是采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，但是并聯(lián)單點(diǎn)接地通常由于地線(xiàn)過(guò)多，可實(shí)現(xiàn)性較差。靈活的方案是，按照系統(tǒng)的組成框圖，將電路劃分為3個(gè)功能單元組，一組內(nèi)的電路采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同組的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。按照電路信號(hào)流向及最大功率器件應(yīng)盡量靠近電源入口處等原則對(duì)其進(jìn)行PCB布局，可將電路及其各部分相互干擾和因電源、地線(xiàn)引起的干擾降低最低。

3.2 PCB布線(xiàn)

在PCB設(shè)計(jì)中，布線(xiàn)是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟，系統(tǒng)性能指標(biāo)與PCB布線(xiàn)關(guān)系密切。布線(xiàn)時(shí)，輸入輸出端布線(xiàn)應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好加線(xiàn)間地線(xiàn)，以免發(fā)生反饋藕合，按照信號(hào)流向布線(xiàn)，避免形成環(huán)路［7］;地線(xiàn)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循上述布局中給出的串、并聯(lián)單點(diǎn)混合接地原則進(jìn)行布線(xiàn);電源線(xiàn)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)印制線(xiàn)路板電流的大小，盡量加粗電源線(xiàn)寬度，以此來(lái)減少環(huán)路電阻;此外電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向需一致，這有助于增強(qiáng)系統(tǒng)抗噪聲的能力。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

系統(tǒng)負(fù)載喇叭為8 Ω、1 W，以下均為負(fù)載下測(cè)試。利用信號(hào)發(fā)生器分別產(chǎn)生兩種不同幅度及頻率正弦波，作為兩個(gè)聲道源分別從兩個(gè)不同聲道口輸入到該音頻系統(tǒng)中，進(jìn)行如下兩組測(cè)試:(1)雙聲道獨(dú)立作用下的系統(tǒng)響應(yīng)。(2)雙聲道混合作用下的系統(tǒng)響應(yīng)。通過(guò)示波器觀察，可得如圖5和圖6所示的系統(tǒng)輸入及輸出波形對(duì)比圖。

由圖5所示，CH1是系統(tǒng)輸入，CH2是系統(tǒng)輸出。雙聲道獨(dú)立作用下，聲道一幅值100 mV、頻率1 kHz的正弦波輸入，輸出幅度約3 V頻率不變的正弦波，且無(wú)毛刺、不失真;聲道二幅值1 V、頻率10 kHz的正弦波輸入，輸出同為幅度約3 V頻率不變的正弦波，且無(wú)毛刺、不失真;圖6所示，CH1、CH2是系統(tǒng)輸入，測(cè)試時(shí)保持與獨(dú)立作用時(shí)相同，且同時(shí)從各自聲道口輸入，CH3是系統(tǒng)輸出。由圖6可知，系統(tǒng)輸出峰峰值約6 V，且無(wú)毛刺、不失真，符合兩路信號(hào)疊加原理。測(cè)試結(jié)果表明，兩聲道源可獨(dú)立或同時(shí)輸入到該系統(tǒng)，且互不串?dāng)_、聲音響亮、噪聲低、無(wú)失真，取得了較好的音頻性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中采用運(yùn)算放大器及功率放大器等集成電路，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙聲道輸入單聲道輸出的音頻系統(tǒng)。詳細(xì)論述了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)測(cè)試表明，該系統(tǒng)聲音響亮、噪聲低、無(wú)失真等特點(diǎn)，具有較好的音頻性能。該系統(tǒng)解決方案成本低、易實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可為兩路及多路音頻合成提供設(shè)計(jì)參考，具有較好的應(yīng)用前景及實(shí)用價(jià)值。

［1］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.4版.北京:高等教育出版社，1998.

［2］羅勝欽.網(wǎng)絡(luò)綜合原理［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2005.

［3］LAKER K R，SCHAUMAN R，GHAUSI M S.Multiple-loop feedback topologies for the design of low sensitivity active filters［J］.IEEE Transaction Circuits System，1979(7):11-22.

［4］鄭軍奇.EMC電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［5］邱關(guān)源.電路［M］.4版.北京:高等教育出版社，2004.

［6］MARK I.電磁兼容的印制電路板設(shè)計(jì)［M］.2版.呂英華，譯.北京:械工業(yè)出版社，2008.

［7］鄭詩(shī)衛(wèi).印制電路板排版設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1983.