提升移动电话使用安全性并节省设计时间的音频功率放大器

摘要:在移动电话的设计中,最让厂商花费心思的是射频处理、软件编写等工程,音频的部分其实不算是最重要的技术难题,但音频电路的表现却是消费者评价一款手机好坏的重要依据之一,再加上安全性的考虑,如何选择一款性能优异而功能完备的音频功率放大器就相当重要,它可以把节省的时间和精力放在其他项目的研发上。

目前,市面上有几款芯片产品可以为手机提供外接耳机或免持听筒的解决方案,以便让消费者在使用移动电话时,仍可以空出双手,或让身体(尤其是头部)与手机保持一定的距离,以便提升手机用户在使用手机时的安全性；另一方面,随著通信标准的演进,这种免持听筒的需求,也愈来愈重要。未来第三代移动电话系统所提供的服务中,除了语音传输外,还包括以多媒体方式呈现的音像传输,届时使用者在观赏屏幕上影像的同时,也需要耳机或扬声器的协助,才能顺利地完成多媒体通信的目的。

为了满足现今及未来的需求,有许多芯片厂商皆已宣称可供应免持听筒的芯片解决方案。不过进一步了解后发现,这些解决方案并没有办法全面满足设计上的需求,例如部分解决方案所提供的芯片尚需要许多外部元件搭配使用,因此不仅浪费空间,也无法降低成本。本文介绍的 Boomer音频功率放大器系列中的LM4892不仅能以更少的外部元件数来搭配,同时还有耳机传感输入管脚、更低的供电噪音干扰等特性,并具有微型SMD、MSOP及SOIC三种封装,从而使得手机生产厂商能开发出不论是在体积或价格上皆更具竞争力的产品。

桥接模式

图中所示即为LM4892的应用框图。从应用的线路可以了解到,它不仅所需的外部元件数较少,也能同时支持扬声器及外接耳机插座。至于可节省的元件数,则要视客户原先所采用的设计而定,例如当设计工程师利用旧有的设计时,每添加一颗运算放大器,则至少需要同时搭配4、5颗电阻,1、2颗电容,以此来看,LM4892所提供的解决方案可节省 5、6颗元件。此外,图中还显示出这颗芯片内置有两个放大器,这使得它可以形成不同的放大器配置。

LM4892的第一个放大器之增益可由外部来配置,而同时第二个放大器则可在内部被固定为一单位增益及反相配置。因此,第一个放大器的闭环增益由芯片外所选用的两颗电阻之比值来设定,而第二颗放大器的增益则是由两颗内部的20kΩ电阻所决定。这样,就由两颗放大器建立起一个所谓的桥接模式。桥接模式与传统的单端放大器配置不同,传统配置中负载的一边会接地。

与单端配置相比,桥接放大器的设计具有几项优点,一是由于它提供不同的驱动给负载,因此对某一特定的供应电压,它可产生加倍的输出幅度。在相同条件下,与单端放大器相比,理论上它可产生4倍的输出功率。这种模式的另一个优点是在整个负载中不存在直流电压,因而就不需要输出耦合电容器,但在传统的单电源、单端放大器的配置中,输出耦合电容器则是必需的。

在支持免持应用的需求方面,LM4892 的第五及第八管脚可用来连接到手机的内置扬声器及耳机插座,同时它的第三管脚也可提供耳机传感输入。图1显示,它的第五、第八管脚可用来接到扬声器上,也可以外接到耳机的插座上。目前其他的芯片解决方案没有提供外接耳机插座的功能,因此要再外加耳机插座的话,就要另行设计其他的电路才能满足这种需求。

如果要在 LM4892 的应用中加上耳机插座的话,只需要在第五接脚外接一个100μF的电容。而这种设计方法会产生一个问题,因为内置的扬声器也与第五及第八管脚相连接,因此当插进耳机时,会使扬声器产生不悦耳的噪音,虽然有人尝试在扬声器与插座间设一个开关用来检测耳机是否插入插座,再隔离与扬声器连接的电路以避免产生噪音,但也因而增加了外接的元件数,增加了设计的复杂度,对有体积限制的手机而言,这些外加的元件皆造成对设计工程师的挑战。

省电功能

考虑到这一点,LM4892可让设计工程师免于面对这种设计的困扰,它可利用其第三管脚来检测出耳机插入的动作,便会将芯片内的功率放大器静音,不但不会产生噪音,也不再需要外部元件的支持。且因内部功率放大器的功能没有启动,则它的耗电量也会降下来。

在LM4892中,降低放大器耗电量的动作由第一管脚来执行。值得一提的是,一般这种功能都是通过一个高电压来控制的,但在手机中,它的主要关键电路像数字信号处理器、微处理器等的工作电压通常都比较低,一般约介于 1.8伏与2.5伏之间,输出的电压也较低,所以如果要通过电压来控制关机的功能,就要添加一颗晶体管,但本文介绍的解决方案则可以在低电压的状态下进行关机控制。

除了以微处理器的输出来控制关机电路外,另一种方法是将一个单刀单掷开关与上拉电阻搭配使用。当开关关闭时,第一管脚便会接地,而让放大器失去作用。直到开关回到开放状态,则上拉电阻就会让LM4892再度回到工作状态。这种方法可确保这只管脚不会处于悬空状态。

电源供应抑制率高

LM4892还利用它较高的电源供应抑制率(PSSR)来降低供电噪音的干扰。当它在217Hz、5V、8Ω负载的情况下,其电源供应抑制率为62dB。电源供应抑制率是指器件抗电源中的噪音干扰的能力,而每家公司在测量电源供应抑制率的条件皆不尽相同,所以即使有些公司产品的电源供应抑制率值较高,但并不表示它抗噪音干扰的能力较强。LM4892已考虑到实际应用的需求。

针对217Hz的原因在于GSM 手机与基地台链接时,会在电源上产生217Hz的干扰,从而影响到扬声器的输出,通常手机设计工程师会在手机电源与放大器之间放一个低压差稳压器,以便把217Hz的噪音隔开,不要让它流进输出端,从而达到隔绝噪音的目的。

另外,LM4892 还有一点与其他产品不同之处是,它除了5伏输出之外,也满足3.3伏及2.6 伏的应用。过去芯片的设计目标都是以5伏为目标,但现今手机的工作电压也逐渐在降低之中,目前手机使用电池所提供的电压约为4.2伏,但实际的工作电压约为3.6伏,所以许多手机设计工程师会采用介于3.3伏与5伏之间的参数,但为了让手机生产厂商设计方便,该芯片便以固定的规格来满足客户的需求。例如,即使电压低至2.6伏,LM4892仍可在总谐波失真为1%的情况下,将280 mW的功率输入4Ω的电阻中,仍可满足一般的聆听、免持听筒或振铃放大等应用的需求。

本文总结

由于芯片本身内置许多功能,已相当程度地简化了电路的设计,因此工程师在应用过程中,基本上所要考虑的因素已经不多,唯一要提醒的是选择容量大小适中的输入耦合电容与旁路电容。一般而言,手机设计工程师倾向采用较大的电容,电容愈大低频响应会愈好,但太大的电容器会让手机在开关切换时产生噪音,此外,它也较贵及占空间,所以设计工程师在选择输入耦合电容器时务必要适合；而在采用LM4892时,一般不希望大于0.39μF。至于旁路电容的选择则是以0.1μF较为适合。若旁路电容值较大的话,虽然有益于电源供应抑制比,但是它却同时会拉长开机时间,这将不符合手机用户的需求。