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Crystal Lam
安森美半导体
移动电话的体积越来越小，厚度越来越薄，不仅如此，它的普及程度与受到人们重视的程度也今非昔比。
移动通讯领域中音频技术的发展趋势
在移动通讯领域中，多媒体的发展，音频起着重要的作用，新型的移动电话不再只是一部普通的电话，它也是MP3播放器，无线收音机，视频播放器，视频会议中心，甚至是一部电视机。
当你在拔打电话时，首先听到的是一段非常悦耳的和弦铃声，它可能是当前最受欢迎的十个旋律之一。然后，你和你的朋友可以用免提的方式进行通话，这样，你们就可以在一起欣赏刚刚由“线路”那一头的人下载的最新的MP3。通话结束之后，你还可以和同事们一起观看足球比赛精华或者一段有趣的视频短片。
我们对移动电话的声音质量寄予了种种期望。就电话服务而言，我们希望在谈话时，声音清脆而自然，希望和弦铃声丰富而有吸引力（有人可能会说，铃声体现的是你的个人品味和个性，那么，它怎么可以是嘈杂而又令人厌烦的东西呢！？）我们可以用耳机来听MP3音乐，还可以用扬声器来播放它。如果使用的是耳机，那么，声音信号应该清晰、没有噪声；如果使用的是内置扬声器，那么，无论是在室内还是在室外，声音应该可以在一只胳膊之遥的距离内听得很清楚，而且不会饱和。作为一个多媒体播放器，我们希望移动电话具有高保真度音响或者电视机的特性，例如，3D立体声环绕声的效果，通过增强的低音或者均衡控制来选择播放的设置。虽然有一些特性是通过数字处理来实现，但是，就一个产品而言，在保证输出功率、总谐波失真加噪声（THD+N）、电池使用时间和解决方案在印刷电路板(PCB)上的尺寸大小以及成本(它与其他各项一样重要)等方面，模拟音频放大设计起着非常重要的作用。
主流移动平台：AB类放大器
对于具备丰富和弦铃声和免提功能的主流电话来说，AB类放大器是首选的音频放大器。由于AB类放大器的特性是线性的，因此，它是低噪声放大器，也往往是个成本较低的解决方案，适合于移动电话设计。它不会受到电源噪声的影响，而且，也不会干扰在同一个(PCB)上的射频系统。像GSM这样的TDMA电话，在消耗电流的传输信号过程中，电池电压会波动。在把音频放大器接到电池上时，需要极好的电源抑制比（PSRR），来抑制TDMA的高频谐波/ /噪声，这个噪声会破坏音频输出。用来驱动电阻为8W或者4W的扬声器的AB类音频放大器，在频率为217Hz时，它的PSRR在-80dB到-85dB之间。
除了PSRR外，THD+N是另一个非常重要的参数，它说明了输出音频信号的清晰度，是用百分比的形式来表示的。对于低输出功率来说，THD+N的值不能超过0.1%。随着输出功率的增加，输出信号和噪声都放大了，THD+N的值也就变差了。
尽管AB类放大器本身的噪声很低，在放大器开启和关闭时还会出现另一种噪声，即噼啪声和咔嗒声。举个例子，安森美半导体的NCP2892A是功率为1W的音频放大器，它的音频输入是差分的，它没有噼啪声。图1是在启动时，在8W扬声器上观察到的差分输出信号。它说明差分输出电压接近于零伏，所以，扬声器不会产生任何听得到的噪声。图2是另一个放大器的输出信号，这个放大器的差分输出有一个非常大的瞬态电压，它会使扬声器产生噼啪声。这种噪声的大小取决于瞬态电压的幅度。出现"噼啪声和咔嗒声"这种噪声的可能性就更大，这取决于瞬态电压的持续时间——如果是低电阻，瞬态脉冲较长，而如果是高电阻，就短一些。
图1 NCP2892A的输出信号（绿色/黑色），差分输出信号（粉红色）和启动控制信号（红色）。
图2 市场上，与NCP2892A相似的AB类放大器的输出信号（绿色/黑色），差分输出信号（粉红色）和启动控制信号（红色）。
在启动时，由于NCP2892A的差分输出是平的，接近于零伏（最大绝对值为 4mV），因此，也就不会产生“噼啪”的噪声。
在启动时，在差分输出上可以看一个非常大的瞬态电压（峰值电压为260mV），扬声器会发出“咔嗒”的声音。
使用AB类音频放大器时的节能方案
通过节能的办法——缩短开启和关闭的时间，来延长电池的使用寿命。AB类放大器是工作在线性状态下，它的最大效率大约是70%。为了延长电池的使用寿命，应该使用节能的办法。当把音频放大器用在功率更大的产品上时（例如，铃声、电话使用扬声器时），在没有音频输出时就应该把音频放大器关掉。这样做可以充分发挥AB类放大器在关闭状态时电流小的优点。在NCP2892A的例子中，关机电流一般只有10nA。对于开机时间很短的新一代AB类音频放大器，就可以做到这点。NCP2892A与市场上其他类似的产品一样，在使用电容量为1μF的旁路电容器时，开机时间一般需要100ms。
多媒体移动平台：D类放大器
AB类音频放大器是个低噪声的解决方案，同时，它也是市面上价格最低的解决方案。然而，它的效率很低，因此会产生大量的热量，所以它不适合大功率的音频应用。对于视频或者MP3播放器、电视机、还有便携游戏机来说，D类放大器是一个较好的解决方案。因为它能够为8W的扬声器提供的功率达到1.4W，效率很高（在THD+N最大为1%的情况下）。在这个例子中，需要利用D类放大器输出很大功率，以支持1W以上输出功率的扬声器。
图3对D类放大器NCP2820与典型的AB类放大器的效率特性曲线作了比较。在输出功率超过50mW时，NCP2820的效率很快地上升到80%，然后，随着输出功率上升到1.4W，效率也随之提高到85%至90%。尽管标准的8W扬声器不允许它的输出功率高于1W，而且AB类放大器仍然是目前的主流产品；但是D类放大器的效率很高，可以延长这种最大输出功率高达700mW的低功耗产品的电池使用寿命。这对于具有内置多功能的移动电话来说，特别重要。
图3 当输出功率从50mW上升到1.4 W时，D类放大器的效率达到80%至90%。
图3当输出功率从50mW上升到1.4W时，D类放大器的效率达到80%至90%。
由于便携扬声器的频率响应，低频信号减弱了。D类放大器所提供的额外的功率可以保证很强的低音音频信号——在玩游戏和播放其他的声音时需要这种低音音频信号。
单声道还是立体声？
具有多媒体功能的电话使用具有单声道（一个）扬声器或者立体声（两个）扬声器的基本接收器。如果在移动电话中使用的是立体声扬声器，那么，希望它能够产生3D环绕声，以增强立体声音频效果。由于这两个扬声器靠得很近，最终用户很难区分出从两个声道的声音输出。可以通过数字编程或者音频放大器里的模拟电路来产生3D效果。
关于电磁干扰的考虑
由于D类放大器是工作开关状态（在NCP2820中是PWM），减少EMI是衡量设计优劣的一个重要标准。PCB上很长的走线就像天线，所以会把开关信号传送给周围的射频系统，因此，建议把音频放大器放在尽量靠近扬声器的地方。为了降低对射频电路的影响，建议使用铁氧体磁珠或者专门的EMI滤波器，例如图4所示的NUF2441。同样的原理也适用于立体声产品。双路输出D类放大器可以减少PCB的空间（与布置两个独立的集成电路所需要的空间相比），控制起来也更容易。使用两个单声道D类放大器的优点是可以更好地控制EMI对系统的影响，因为，在PCB布局得很好时，能够缩短这两个放大器与两个扬声器之间的距离。
图4 专用的EMI滤波器能够控制移动电话里的开关型音频放大器对周围射频系统的干扰。
采用D类音频放大器减少元件的数量
正如前面所说的，应该在闲置时把音频放大器关掉。这特别适用于D类音频放大器，因为它工作在PWM开关模式，消耗的待机电流较大，而且，在闲置时把音频放大器关掉，还能够减少潜在的EMI辐射。因为D类放大器的关机电流很低（NCP2820的关机电流是10nA），可以用这个方案来节能。此外，也只有功率较大的应用才应该使用音频放大器；对于像电话通话这样的低功耗应用，设计人员可以绕过放大器，把编码解码器(Codec)输出和接收器直接连在一起。
对于非常纤巧的设计来说，有可能省去接收器，用扬声器作为“接收器配置”和“扬声器配置”。图5是一个典型应用的电路图。我们可以通过集成了单刀双掷（SPDT）模拟开关NLAS4684的D类音频放大器（NCP2820）来实现音频信号的传送。
图5 Codec通过双路SPDT模拟开关NLAS4684，把Codec的输出信号直接送到"接收器配置"中的扬声器，或者直接送到"扬声器配置"中的音频放大器NCP2820。
音频放大技术的发展趋势
在现在的移动电话里，采用AB类放大器仍然是最普遍，但是，人们正在考虑在新型的移动电话平台中采用D类放大器。然而，在没有多媒体特性的低档和中档手机里，仍将采用AB类放大器。因为它的音频性能最好，THD+N很低，PSRR的绝对数值很高，此外，它没有噼啪声和咔嗒声，或者这种噪声很小，可以忽视。它的开启时间和关闭时间都很短，可以实现节能的方案。
多媒体功能在很大程度上取决于由基带网络供应商提供的价格和性能。随着3G网络的蓬勃发展，要求多媒体电话同样地蓬勃发展。MP3和视频/电视节目播放功能将是新一代电话须具备的功能，那些耗电量很大的基带芯片组以及应用处理器将把效率作为选择音频放大技术的重要标准。因此，这些移动电话设计将选择高效率的D类放大器。大约在三年前，在移动电话设计里就已经采用了D类音频放大器，现在，随着它的普及，价格随之不断下降，与AB类音频放大器相比，它将是一个非常有竞争力的解决方案。
作者简介
Crystal Lam是安森美半导体模拟产品部产品经理。 | 
