音频接口设计

摘　要：随着人们物质生活的提高，各式各样的音频设备大量的进入到我们的生活中 ，传统音频接口简单，通用性较弱。随着不同设备的配置驱动的不同，通用音频接口越来越值得关注。本文将讨论音频接口是现代通用化音频接口中重点考虑的问题。

关键词：音频；单端信号；差分信号
1 引言
　　当今各式各样的音频设备层出不穷，附有外部扬声器音频功能的便携设备日趋增多，它们的输出根据配置和驱动的不同而各异。 以往通用的音频接口已经远远不能满足需要，所以急于设计出一个新的音频接口电路已满足不同设备，下面将对于传统接口进行分析，以及新的音频电路设计的必要性及优点。
2 音频接口的种类
　　根据输出的不同，我们可以区分音频为： 单端信号、差分信号。
　　例如MP3播放器或手机的输出是单端信号，适合驱动32Ω的听筒扬声器。典型外置扬声器系统的扬声器阻抗是4至8Ω，每个声道可能会有多个扬声器。然而32Ω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扬声器。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。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)。


　　
　　图1: 声级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。
　　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。
3 检测输入信号方法
　　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。
　　一、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。源器件既能使该引脚开路也能使该器件接地。
　　二、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。


　　
　　图2：利用比较器检测差分信号的电路。
4 电路设计
　　音频电路除上述检测电路外还有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。




　　图3：音频放大器的直接实现方法。
　　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。与上一方法不同，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器的输入。这种差分信号可以直接送入音频放大器中。


　　
　　图4：利用运算放大器产生输入音频放大器中的反向信号。
　　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（图5），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。




　　
图5：简化的变压器电路。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。
5 音量控制
　　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。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)。
　　另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真正实现满幅(rail-to-rai)输出，因此电位器不能通过接地来消除输出信号的噪声。




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。
6 结束语
　　音频接口设计是个比较复杂的设计，不仅仅需要考虑信号的通用性，而且还需要考虑其通用性。设计者对于传统各种音频设计需要有较深的了解，然后综合这些众多音频设计，总结优缺点，从而设计出满足人们需要的，通用性强的音频设计。

参考文献：
[1]《电子工程专辑》，2008
[2]（美）科默等著，王华奎等译，《电子电路设计》，电子工业出版社，2004