如何设计可支持差分和单端信号的便携式产品音频接口

        便携式设备的数量发生爆炸性的增长，且新增诸多功能，带有外置扬声器音频播放功能的便携式设备日益增加，例如MP3播放器、带MP3功能或扬声器的手机以及便携式CD播放器等。这些系统的输出根据配置和驱动的不同而各异。 但这些系统的输出在配置和驱动上都有所不同。作者在本文中探讨了可以检测并部署可将输入信号放大到输出相等信号的单端/差分音频放大器的几种方法。
　　
MP3播放器或手机的输出是单端信号，可驱动32Ω的耳机扬声器。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。不过32Ω的驱动器难以驱动这些低阻抗扬声器，无法为终端用户提供足够的音量。
　　
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，因此通用放大器不适于驱动这些扬声器。例如，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。而某些新型高端扬声器系统则可支持差分信号，为了后向兼容，这些新系统也必须能支持单端信号。
　　
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。由于人的听力和声音大小的关系符合对数曲线规律，因此不能采用线性的控制方式(图1)。

图1：音量与音频系统的输出功率之间不是线性关系。

对于可将输入信号放大到与输出相等信号的单端/差分音频放大器，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。需要注意的是，两个器件之间的共地连接非常重要。表面上看，由于信号是直流隔离的，因而交流耦合电容无需接地，但实际经验证明接地是提供理想噪声性能所必需的。
　　
第一个要解决的问题是检测输入是单端还是差分信号。在许多电路中，有两种电路采用连接器的一个外部引脚来测试输入信号的直流电平。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而言就不可行。源器件或使引脚开路或使其短接至地。
　　
检测差分信号的第二种方法，是利用比较器来检测信号的直流电平，或是接地或是差分信号。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，将导致错误的检测结果。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所示此类电路的实例。

电路的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信号。
　　 
允许正相输入设置为0.5Vcc，这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。因此对于不同的输入模式，这两种输入信号都会产生相同的输出信号幅度。

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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。与前面的例子不同，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在尺寸方面较为便利，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是电路图。

图4：运算放大器用于在差分音频放大器中产生反向信号。
　　 
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，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处于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。模拟开关用于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。变压器电路的简化实现方法如图5所示。完整的电路还必须包括其它元件，以便平衡输入。

图5：变压器简化了差分信号的产生。
　　
利用标准单旋电位计可有几种方法实现对音量的控制。如前所述，旋转旋钮时，具有对数特性的电位计能产生平滑的音量控制。该电位计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个电位计，而立体声系统则需要4个电位计。
　　
最简单的实现方法是在电位计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。当电容与电位计阻抗相关时，会出现其它问题，很可能产生旁路滤波器(在电位计中滤掉某些频率的信号)。
　　
这个问题的一种解决方案是在电位计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计的静态阻抗。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轨至轨(rail-to-rai)输出，因此电位计不能通过接地来消除输出信号的噪声。

图6：在电位计上增加一个运算放大器会影响音频放大器的增益变化。
　　
有几种方法可实现支持单端和差分输入的音频系统。这些方法需要克服一些问题，特别是在牵涉到音量控制时。每种电路都有其优点，这取决于设计者的喜好和系统驱动的输出扬声器要求。