基于LM4888的立体声音频子系统设计

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  引言
  
  当今手机可谓是具备诸多娱乐功能的便携式电话。MP3播放器、游戏、照相机,甚至录影机、移动电视都可以装配在手机或者便携式装置中。立体声扬声器为其中一大特色,它使该装置因此而达到高品质的回放效果。立体声扬声器的优势在于,在相同的音频输入量,它可以提供额外的6dB的输出量。而噪音输出程度却未按照6dB增加,这也能够给收听者带来更好的信号与噪音比例的表现。
  鉴于便携式装置或者手机体积有限,两个扬声器会很紧贴,因此对扬声器的安装也有相应的要求。立体声扬声器如果互相贴靠得太近,通道分离能力便会减弱,以致两个扬声器不能产生一个立体声的音象。利用美国国家半导体(国半)3D音频子系统便可以增加左右通道的分离效果,从而扩大立体声输出的音像,这样能把那受影响的非立体声影像重现成立体声音像的效果。
  应用线路图
  
  LM4888简介
  
  LM4888是一个包含双立体声音频扬声器,并包含耳机和3D增强功能,也就是说,这个装置具有立体声扬声器驱动能力及立体声耳机驱动能力。当电源电压Vcc=5V时,立体声扬声器最大输出量可以达到1.3W。每个通道在8Ω负载下、而负载降至30时,则可以支持每个通道能达2.1W,耳机能够在32Q负载下输送至每个通道高达80mW。这个子系统利用两个独立的控制管脚来控制停机和3D开关,操控方便,设计简单,并提供耳机检测功能。
  因为每个耳机检测电路端口设计会采用不同的要求,因此LM4888有两个独立的耳机控制输入管脚。耳机的允许输入激活单端输出耳机方式,关闭BTL输出。耳机传感检测输入只需要用一个常规立体声耳机插孔配合一起使用。剩余的HP逻辑输入,能允许使用一个标准逻辑电平来控制。
  在LM4888的耳机检测控制管脚中栓入一逻辑电平把放大器A(+out)和放大器B(+out)关闭到静音,也就是把桥式负载关闭到静音。当应用单端输出时,可把静态电流减低。
  图2显示了LM4888耳机控制功能如何得以实施。当没有耳机插入到耳机插座时,R11-R13电压分压电路检测到一个大概50mV的电压在耳机检测管脚(管脚20)。这50mV的电压使放大器A(+out)和B(+out)LM4888的桥式驱动打开。当LM4888以桥式方式运作时,在负载的潜在直流应是0V。因此,即使在理想的条件下,输出也不会造成错误。当耳机插入到耳机插座时,耳机插座内部会把-OUTA连接切断,并允许R13牵引耳机检测电压上拉到VDD。这立即启动耳机功能,关闭放大器A和B,使桥式扬声器输出关闭。放大器于是只驱动耳机,耳机的阻抗与外部电阻R10和R11相差相当远,所以这些电阻对LM4888输出驱动影响能力是可以忽略的,因为典型的耳机阻抗是32。图2也显示所推荐的耳机插座电源连接方法。该插座配有三线插头。插头的尖端和套圈应当各负载两个输出信号其中之一,而套筒应当输送地面流转。每个耳机插座带有一个控制接触管脚,连至耳机时足够驱动耳机检测管脚。还有第二个输入电路能够控制BTL或SE方式的选择。此输入控制管脚称为耳机逻辑输入(HP逻辑)。当HP逻辑输入是逻辑电平“高”时,LM4888将以单端输出方式运作。当HP逻辑输入是逻辑电平“低”时(而HP检测管脚也是逻辑电平“低”)时,LM4888将在BTL方式下进行操作。在桥式方式输出运作中(HP逻辑输入是逻辑高电平“低”并且HP检测输入是逻辑高电平“低”),耳机已直接连到单端输出那点(在HP插座上不采用HP检测管脚),此时,扬声器(BTL)和耳机(sE)将会同时运作。例如:当8与32并联时反向的运算放大器输出同时能驱动扬声器和HP的负载,这也不会影响LM4888的运作。有一些音频放大器不能承受低负载,但对LM4888而言,当扬声器降到3也不会构成问题。
  


  如上所述,采用LM4888来驱动扬声器(BTL)和耳机(sE)负载是简便易行的。然而,只有HP逻辑管脚用于控制BTL/SE操作并]tHP检测管脚与GND连接时,此配置才发挥作用。
  
  国半3D增强功能工作原理
  
  采用交叉投入技术,在其它通道上加上本通道的一个特定比例的反相180度信号。
  左扩音器输出出现的音频信号是:
  左输出=(左输入一右输入x比率)
  右扩音器输出出现的音频信号是:
  右输出=(右输入一左输入x比率)
  R3D和C3D两个外部元件组成了国半3D增强的交叉投入网络。此网络也会产生滤波函数效果,并能控制截止频率,而3D效应在一特定的截止频率上开始生效。
  f3D(-3db)=1/2(R3D)(C3D)
  R3D也是设置我们所需的3D效应数量的一个要素。降低R3D的值会增加3D效应的数量。R3D以一个倍增因数而增加输出信号:
  (1+20k/R3D)
  3D关闭
  3D的逻辑电平是基于0.7Vdd而进行设计的。当3D控制管脚等于逻辑电平“0”时,采用R2与R8作为增益反馈电路。那样另一个频道将不会发生任何信号,因为3D增强未打开。
  频道A增益=2(R2/R1)
  频道B增益=2(R8/R9)
  3D启动
  当3D控制管脚等于逻辑电平“l”时,设计师可以采用R3、R4、R7和R8作为增益反馈电路。在此文件的前面我们已提到3D效应是采用交叉投入技术。充当一个高通滤波器(HPF)的R5、C7、C3D是国半3D增强交叉投入网络的程序块。由于3D效应只在高频率时发生,所以输入频率需要高于RC网络一3dB点才能打开3D效应,当输入频率不足以启动RC网络时,反馈通道应像一个典型通道。
  输入频率<<-3dB点时,频道A增益=(R3+R4)/R1
  频道B增益=(R7+R8)/R9
  当输入频率高于-3dB点时,3D网络将被启动。在此瞬间交叉投入效应便进行操作。如果输入异相为180度,那么效应将出现。R3D是设置3D效应数量的要素。降低R3D的值将引起3D效应的增加,您还应该注意另外一点:由于R3D(R5)&C3D(c7)是一个HPF(高通滤波器),当改变R3D(R5)的值时,-3dB点也将同时改变。
  以下为一个实例,当R1=R3=R4=R7=R8=R9=1OK、R3D=R5=20K&C3D=C7=2200pF、输入电压=250mV时,
  -3dB点=1/2piR3DC3D
  =1/2pi 20K2200pF
  =3617Hz
  -3dB点以下的频道A增益=2((R3+R4)/R1)=2(2)=4   当输入=250mV,输出电压=250mVx4=1V时
  在两个输入相差为180度时,交叉投入网络会增加一个附加的增益。(1+20K/R5)的倍增因数将引起增益的增加。所以高频率(-3dB点之后)中的增益为
  A频道的总电压增益
  =原有增益+其它频道的附加增益
  =2((R3+R4)/R1)+(1+(20K/R3D)
  =2((10K+10K)/10K)+(1+(20K/20K)
  =6
  总电压=6 x 250mV
  =1.5V
  每当3D效应启动时,把R5设置为20k将导致增益以(1+20k/20k)=2 or6dB的倍增因数而增加。
  以下为实验室的一个测量结果。你会发现当输入频率低于3.6KHz时,输出电压为1V,但一旦频率高于3.6KHz时,输出会增至1.5V。
  当试图把R3D从20K降低至10K时,并且当一3dB点保持不变时:
  以下为一个实例,当R1=R3=R4=R7=R8=R9=lOK、R3D=R5=IOK&C3D=C7=4700pF、输入电压=250mV时,
  -3dB点=1/2piR3DC3D
  =1/2 pi 10K4700pF
  =3386Hz
  -3dB点以下的频道A增益=2((R3+R4)/R1)=2(2)=4:
  当输入=2 5 0mV、输出电压=250mVx4=1V时
  在两个输入异相为180度时,交叉投入网络会增加一个附加的增益。
  (1+20K/R5)的倍增:
  当输入频率高于-3dB点时,以上的公式才会生效。所有高频率中(-3dB点之后)的增益为
  A频道的总电压增益=原有增益+其它频道的附加增益
  =2((R3+R4)/R1)一(1+(20K/R3D)
  =2((10K+10K)/lOK)+(1+(20K/10K)
  =7
  总电压=7 x 250mV.
  =1.75V
  观察到的3D数量也取决于其它许多因素,如扬声器的放置及与收听者的距离。因此,建议用户尝试R5(R3D)和C7(c3D)的各种数值,以感觉3D效应如何在应用程序中工作。对于效果来说没有什么“对与错”,而只是使每位用户达到最满意的程度。请注意当激活3D模式时,(R3和R4),(R7和R6)的设置仅用于增益控制。当抑制3D模式时,增益由R2和R8设置。
  


  
  扬声器效率和频率响应
  
  输送至8扬声器的0.5W输出功率的有效响应,是影响扬声器效率的因数。扬声器效率的分级:0.5W的功率适用于扬声器,以扬声器之前10cm处的声压级(SPL)进行分级。典型的10mm扬声器在85dB和95dB SPL之间。响应也受扬声器助声箱设计的影响。
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