聲頻系統(tǒng)在手機(jī)與PDA 中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

　　本篇文章即是要探討聲頻系統(tǒng)在手機(jī)與PDA 之應(yīng)用與設(shè)計(jì)，讓系統(tǒng)與研發(fā)人員設(shè)計(jì)出適合消費(fèi)者的產(chǎn)品。

　　無(wú)線可攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用之考慮因素

　　以下列出在選擇聲頻功率放大器時(shí)必須考慮到的主要因素。

　　較高的電源電壓抑制(Power Supply Rejection Ration;PSRR)

　　聲頻功率放大器必須具有較高的PSRR，可以避免受到電源與布線噪聲的干擾。

　　快速的開(kāi)關(guān)機(jī)(Fast turn on & off)

　　擁有較長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間，為手機(jī)或PDA 之基本訴求，AB 類聲頻放大器的效率約為50 至60 %，D 類聲頻放大器的效率可達(dá)85 至90%，不管使用何種聲頻放大器，為了節(jié)省功率消耗，在不需要用到聲頻放大器時(shí)，均需進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，然而當(dāng)一有聲音出現(xiàn)時(shí)，聲頻放大器必須馬上進(jìn)入開(kāi)機(jī)狀態(tài)。

　　無(wú)「開(kāi)關(guān)切換噪聲」(Click & Pop)聲

　　「開(kāi)關(guān)切換噪聲」聲常出現(xiàn)于聲頻放大器進(jìn)入開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)，或是由待機(jī)回復(fù)至正常狀態(tài)，甚至是217Hz 手機(jī)通信訊號(hào)時(shí)，手機(jī)或PDA 之使用者絕不會(huì)希望聽(tīng)到擾人的噪音，將「開(kāi)關(guān)切換噪聲」消除電路加入聲頻放大器的考慮中，為重要的必備條件。

　　較低之工作電壓

　　為延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，更要求在低至1.8 伏特的條件下仍可進(jìn)行作業(yè)。

　　低電流消耗與高效率

　　使用CMOS 制程之IC，可降低電流消耗，有時(shí)需選擇D 類聲頻放大器，目的在延長(zhǎng)手機(jī)或個(gè)人數(shù)字處理器之工作時(shí)間。

　　高輸出功率

　　在相同工作電壓下具有較高的輸出功率，亦即輸出訊號(hào)之?dāng)[幅越接近Vcc 與GND 時(shí)，其輸出功率越高。

　　較小的封裝(Micro SMD)

　　手機(jī)或個(gè)人數(shù)字處理器的外觀越來(lái)越小巧，使得IC 封裝技術(shù)越來(lái)越重要，Micro SMD 為現(xiàn)今較常用到的封裝技術(shù)。

　　輸出功率的計(jì)算

　　單端式(Single-end )放大器如(圖一)所示，其增益為：(公式一) Gain=Rf/Ri Rf:回授阻抗Ri:輸入阻抗

　　(圖一) 單端式(Single-end) 放大器

　　由輸出功率=(VRMS)2/Rload，VRMS=Vpeak /21/2，因此單端式(Single-end )放大器輸出功率=(Vpeak)2/2Rload 。橋接式(BTL)放大器如(圖二)所示，由兩個(gè)單端式(Single-end )放大器以相差180° 組成，故其增益為(公式二) Gain=2Rf/Ri Rf:回授阻抗Ri:輸入阻抗由輸出功率=(VRMS)2/Rload，橋接式VRMS=2Vpeak/21/2，因此橋接式輸出功率=2(Vpeak)2/Rload=4×端式放大器輸出功率。

　　圖二) 橋接式放大器與施加于喇叭正負(fù)端之波形

　　輸入與輸出耦合電容值的選擇

　　如圖一，輸入阻抗與輸入耦合電容形成一高通濾波器，如欲得到較低的頻率響應(yīng)，則需選擇較大的電容值，其關(guān)系可用以下公式表示：(公式三) fC =1/2∏(RI)(CI) fC:高通濾波截止頻率RI:輸入阻抗CI:輸入耦合電容值，此電容用以阻隔直流電壓并且將輸入訊號(hào)耦合至放大器的輸入端。

　　在行動(dòng)通訊系統(tǒng)中，由于體積的限制，即使使用較大的輸入耦合電容值，揚(yáng)聲器也通常無(wú)法顯現(xiàn)出50Hz 以下的頻率響應(yīng)。因此，假設(shè)輸入阻抗為20K 奧姆，只需之輸入耦合電容值大于0.19uF 即可，在此狀況下，0.22uF 是最適當(dāng)選擇。

　　對(duì)于輸出耦合電容值之設(shè)定而言，同圖一中，如欲得到較佳的頻率響應(yīng)，電容值亦需選擇較大的容值，其關(guān)系可用以下公式表示：(公式四) fC =1/2∏(RL)(CO) fC:高通濾波截止頻率RL:喇叭(耳機(jī))之阻抗C輸出耦合電容值

　　例如，當(dāng)使用32 奧姆之耳機(jī)，如希望得到50Hz 的頻率響應(yīng)時(shí)，則需選擇99uF 的輸出耦合電容值，在此狀況下，100uF 是最適當(dāng)選擇。

　　散熱(Thermal)考慮

　　在設(shè)計(jì)單端式(Single-end )放大器或是橋接式(BTL)放大器時(shí)，功率消耗是主要考慮因素之一，增加輸出功率至負(fù)載，其內(nèi)部功率消耗亦跟著增加。

　　橋接式(BTL)放大器的功率消耗可用以下公式表示：(公式五) PDMAX_BTL =4(VDD)2/(2∏2RL) VDD:加于橋接式(BTL)放大器之電源電壓RL:負(fù)載阻抗

　　例如，當(dāng)VDD =5V、RL =8ohm 時(shí)，橋接式放大器的功率消耗為634mW ，如負(fù)載阻抗改成32ohm 時(shí)，其內(nèi)部功率消耗降低至158mW。

　　而單端式(Single-end )放大器的功率消耗可用以下公式表示：(公式六) PDMAX_SE=(VDD)2/(2∏2RL) VDD:加于單端式(Single-end )放大器之電源電壓RL:負(fù)載阻抗亦即單端式放大器的功率消耗僅為橋接式放大器的四分之一。所有的功率消耗加起來(lái)除以IC 的熱阻(?JA)即是溫升。

　　布線(Layout)考慮

　　設(shè)計(jì)人員在布在線，有一些基本方針必須加以遵守，例如：

　　所有訊號(hào)線盡可能單點(diǎn)接地;

　　為避免兩訊號(hào)互相干擾，應(yīng)避免平行走線，而以90°跨過(guò)方式為之。

　　數(shù)字之電源、接地應(yīng)和模擬之電源、接地分開(kāi)。

　　高速數(shù)字訊號(hào)走線應(yīng)遠(yuǎn)離模擬訊號(hào)走線，亦不可置于模擬組件下方。

　　3D 強(qiáng)化立體聲在手機(jī)與PDA 之應(yīng)用

　　就大多數(shù)人的了解，「3D 音效」既非單聲道，亦非雙聲道， 它是一種聲頻的處理技術(shù)，使聆聽(tīng)者在非實(shí)際的環(huán)境下， 感覺(jué)到聲音發(fā)出的地點(diǎn)，這就必須非常講究揚(yáng)聲器(喇叭)的放置位置與數(shù)目。但是在手機(jī)與PDA 處理器中，無(wú)法放置如此多的揚(yáng)聲器，因此發(fā)展出以兩個(gè)揚(yáng)聲器加上運(yùn)用硬件或軟件的方式，來(lái)仿真「3D 音效」，亦即所謂的「3D 強(qiáng)化立體聲音效」(3D Enhancement)。(圖三)為3D 強(qiáng)化立體聲之聲頻次系統(tǒng)方塊圖，用于立體聲手機(jī)或個(gè)人數(shù)字處理器中，此聲頻次系統(tǒng)由下列幾個(gè)部份組成：

　　后級(jí)放大器：包括一立體聲揚(yáng)聲器(喇叭)驅(qū)動(dòng)器，一立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器，一單聲道耳機(jī)放大器(earpiece)，和一用于免持聽(tīng)筒之線路輸出(line out)，例如汽車的免持聽(tīng)筒電話輸出。

　　音量控制：可提供分為32 級(jí)的音量控制，而且左、右及單聲道的音量均可獨(dú)立控制。

　　混音器：用來(lái)選擇輸出與輸入音源之關(guān)系，可將立體聲及單聲道輸入傳送及混合一起，并將這些輸入分為16 個(gè)不同的輸出模式，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠靈活傳送及混合單聲道及立體聲聲頻訊號(hào)，不會(huì)限定訊號(hào)只能傳送給立體聲揚(yáng)聲器或立體聲耳機(jī)。

　　電源控制與「開(kāi)關(guān)切換噪聲」消除電路。

　　3D 強(qiáng)化立體聲，以硬件的方式為之。

　　使用I2C 兼容接口加以控制芯片的功能。

　　聲音在不同位置

　　傳至左右耳朵時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同相位差。利用此相位差原理和硬件方法，便可以仿真出3D 強(qiáng)化立體聲音效，即使系統(tǒng)在體積或設(shè)備上受到限制，而必須將左右喇叭擺放得很近時(shí)，仍然可以改善立體聲各高低聲部定位的種種問(wèn)題。

　　如圖三之3D 強(qiáng)化立體聲方塊圖所示，一外接之電阻與電容電路用以控制3D 強(qiáng)化立體聲之音效，用兩個(gè)分別的電阻與電容電路來(lái)控制立體聲揚(yáng)聲器與立體聲耳機(jī)，如此可達(dá)到最佳之3D 強(qiáng)化立體聲效果。

　　在此電阻與電容電路中，3D 強(qiáng)化立體聲效果的「量」是由R3D 電阻來(lái)設(shè)定的，并且成反比關(guān)系，C3D 電容用以設(shè)定3D 強(qiáng)化立體聲效果的3dB 低頻截止頻率，在低頻截止頻率以上方能顯現(xiàn)出3D 強(qiáng)化立體聲效果，增加C3D 電容值將降低低頻截止頻率，其關(guān)系可用以下公式表示。(公式七) f3D(-3dB)=1/2∏(R3D)(C3D)

　　(圖三) 3D 強(qiáng)化立體聲聲頻子系統(tǒng)方塊圖

　　結(jié)論

　　由于行動(dòng)電話與個(gè)人數(shù)字處理器已發(fā)展為能夠提供各種不同娛樂(lè)的多功能可攜式設(shè)備，廠商們皆盡量采用高度原音的聲頻系統(tǒng)及壽命較長(zhǎng)的電池，并使此類可攜式電子產(chǎn)品具備立體聲喇叭放大器，多種不同的混音，以及3D 強(qiáng)化立體聲等功能，同時(shí)在外型外也盡量輕薄小巧。但其設(shè)計(jì)范疇仍不脫離以上所述基本原理，此為本文所要表達(dá)之另一目的。