- 立體聲聲頻子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- 3D增強(qiáng)效應(yīng)運(yùn)作介紹
- 喇叭效率和頻率響應(yīng)簡介
- 美國國家半導(dǎo)體LM4888解決方案
立體聲喇叭成為手機(jī)基本配備
新一代移動電話已被設(shè)計(jì)成為具備多種娛樂功能的智能型手機(jī)。像是MP3播放器、掌上型游樂器、照相機(jī)，甚或是錄影機(jī)、移動電視等功能，都可配置在手機(jī)或可攜式裝置中。基于以上的音效需求，立體聲喇叭能讓手機(jī)為消費(fèi)者帶來高品質(zhì)的聲光享受，因此成為手機(jī)不可或缺的基本配備。
立體聲喇叭的優(yōu)勢，在于相同單聲道音頻輸入等級下，可提供額外的6dB輸出量，而其噪聲輸出等級卻不會依6dB等比例增加。這種做法能帶來更優(yōu)秀的聲頻信號與噪聲比表現(xiàn)。
由于可攜式裝置或手機(jī)的體積有限，兩個喇叭的置放距離受限，可能會靠得很近。立體聲喇叭如果互相靠得太近，音道分離能力便會減弱，導(dǎo)致兩個喇叭無法產(chǎn)生立體聲效果。利用具備3D增強(qiáng)效果的聲頻子系統(tǒng)，便可以增加左右通道的分離效果，從而擴(kuò)大立體聲輸出音效，把受影響的非立體聲音重現(xiàn)為立體聲音效。
立體聲聲頻子系統(tǒng)
圖１所示的立體聲聲頻子系統(tǒng)，是一個包含立體聲聲頻喇叭加耳機(jī)和3D增強(qiáng)裝置的放大器。也就是說，這個裝置具有立體聲喇叭及立體聲耳機(jī)驅(qū)動功能。當(dāng)電源電壓Vcc=5V時，立體聲喇叭最大輸出量可達(dá)到1.3W。當(dāng)每個通道在8Ω負(fù)載下、而負(fù)載降至3Ω時，則可支援每個通道達(dá)2.1W的輸出量，而耳機(jī)能夠在32Ω負(fù)載下輸送高達(dá)80mW至每個通道。此子系統(tǒng)利用兩個獨(dú)立的控制接腳來控制停機(jī)和3D開關(guān)，操控方便，設(shè)計(jì)簡單，并提供耳機(jī)檢測功能。
圖1：典型的立體聲聲頻子系統(tǒng)應(yīng)用線路（以美國國家半導(dǎo)體LM4888為例）
基于每個耳機(jī)檢測電路端口設(shè)計(jì)會採用不同要求，因此，該聲頻子系統(tǒng)提供兩個獨(dú)立的耳機(jī)（HP）控制輸入接腳。耳機(jī)的允許輸入可啟動SE輸出耳機(jī)模式和關(guān)閉BTL輸出模式。耳機(jī)感應(yīng)檢測輸入需要用一個常規(guī)立體聲耳機(jī)插孔配合一起使用。剩余的HP邏輯輸入，能允許使用一個標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平（Logic Level）來控制。
表1. 邏輯電平真值表
在此立體聲聲頻子系統(tǒng)的耳機(jī)檢測控制接腳中加入一個邏輯電平，將放大器A（+out）和放大器B（+out）關(guān)閉到靜音，也就是把BTL負(fù)載關(guān)閉到靜音。當(dāng)應(yīng)用SE輸出時，可把靜態(tài)電流減低。[page]
圖2
圖2顯示了如何實(shí)做立體聲聲頻子系統(tǒng)耳機(jī)控制的功能。當(dāng)耳機(jī)尚未插入到耳機(jī)插座時，R11-R13電壓分壓電路在耳機(jī)檢測接腳（接腳20）檢測到一個約50mv的電壓。這50mv的電壓使放大器A（+out）和B（+out）把立體聲聲頻子系統(tǒng)的BTL驅(qū)動打開。當(dāng)立體聲聲頻子系統(tǒng)以BTL模式運(yùn)作時，在負(fù)載的潛在直流應(yīng)是0V。因此即使在理想條件下，輸出也不會造成錯誤。當(dāng)耳機(jī)插入到耳機(jī)插座時，耳機(jī)插座內(nèi)部會把 –OUTA連接切斷，并允許R13牽引耳機(jī)檢測電壓上拉到VDD。此時將立即啟動耳機(jī)功能，關(guān)閉放大器A和B，使BTL喇叭輸出關(guān)閉。放大器繼而驅(qū)動耳機(jī)，耳機(jī)的阻抗與外部電阻R10和R11相差相當(dāng)遠(yuǎn)，所以這些電阻對立體聲聲頻子系統(tǒng)輸出驅(qū)動影響能力是可以忽略的，其原因是典型的耳機(jī)阻抗為32Ω。
圖 2也顯示所推薦的耳機(jī)插座電源連接方法。該插座配有三線插頭。插頭的尖端和套圈應(yīng)當(dāng)各負(fù)載兩個輸出訊號其中之一，而套筒應(yīng)當(dāng)輸送地面流轉(zhuǎn)。每個耳機(jī)插座帶有一個控制接觸接腳，連至耳機(jī)時足夠驅(qū)動耳機(jī)檢測接腳。還有第二個輸入電路能夠控制BTL或SE模式的選擇。此輸入控制接腳稱為耳機(jī)邏輯輸入（HP邏輯）。當(dāng)HP邏輯輸入是邏輯電平＂高＂時，此立體聲聲頻子系統(tǒng)將以SE輸出模式運(yùn)作。當(dāng)HP邏輯輸入是邏輯電平＂低＂時（而HP檢測接腳也是邏輯電平
＂低＂）時，此立體聲聲頻子系統(tǒng)將在BTL模式下進(jìn)行操作。
在BTL模式輸出運(yùn)作中（HP邏輯輸入是邏輯高電平＂低＂并且HP檢測輸入是邏輯高電平＂低＂），耳機(jī)巳直接連到SE輸出那點(diǎn)（在HP插座上不採用HP檢測接腳），此時，喇叭（BTL）和耳機(jī)（SE）將會同時運(yùn)作。例如：當(dāng)8Ω與 32Ω并聯(lián)時，反向的運(yùn)算放大器輸出同時能驅(qū)動喇叭和HP的負(fù)載，這也不會影響此立體聲聲頻子系統(tǒng)的運(yùn)作。有一些聲頻放大器不能承受低負(fù)載，但對此立體聲聲頻子系統(tǒng)而言，當(dāng)喇叭降到3Ω也不會構(gòu)成問題。
如上所述，採用此立體聲聲頻子系統(tǒng)來驅(qū)動喇叭（BTL）和耳機(jī)（SE）負(fù)載是簡單易行的。然而，只有HP邏輯接腳用于控制BTL / SE操作并且HP檢測接腳與GND連接時，此配置才發(fā)揮作用。
3D增強(qiáng)效應(yīng)運(yùn)作
以下以 National 3D 聲頻子系統(tǒng)為例，說明3D增強(qiáng)效應(yīng)如何運(yùn)作。其採用交叉投入技術(shù)，在別通道上加上本通道的一個特定比例的反相180度信號。
左擴(kuò)音器輸出出現(xiàn)的聲頻信號是：左輸出=（左輸入- 右輸入x比率）
右擴(kuò)音器輸出出現(xiàn)的聲頻信號是：右輸出=（右輸入- 左輸入x比率）
R3D 和 C3D兩個外部元件組成了National 3D增強(qiáng)效應(yīng)的交叉投入網(wǎng)路。此網(wǎng)路也會產(chǎn)生濾波函數(shù)效果，并能控制截止頻率，而3D效應(yīng)在一特定的截止頻率上開始生效。
f3D（-3dB） = 1 / 2P（R3D）（C3D）
R3D也是設(shè)置我們所需的3D效應(yīng)數(shù)量的一個要素。降低R3D的值會增加3D效應(yīng)的數(shù)量。R3D 以一個倍增因數(shù)而增加輸出信號。
（1 + 20k / R3D）
3D關(guān)閉
3D的邏輯電平是基于0.7Vdd而設(shè)計(jì)的。
當(dāng)3D控制接腳等于邏輯電平＂0＂時，採用R2與 R8作為增益反饋電路。由于3D增強(qiáng)功能未開啟，因此另一個頻道將不會產(chǎn)生任何信號。
頻道A增益= 2（R2/R1）
頻道B增益= 2（R8/R9）
3D啟動
當(dāng) 3D控制接腳等于邏輯電平＂1＂時，設(shè)計(jì)師可以採用R3、R4、R7和R8作為增益反饋電路。在此文件的前面我們已提到3D效應(yīng)是採用交叉投入技術(shù)。充當(dāng)一個高通濾波器（HPF）的R5、C7和C3D是National 3D增強(qiáng)交叉投入網(wǎng)路的程序塊。由于3D效應(yīng)只在高頻率時產(chǎn)生，所以輸入頻率需要高于RC網(wǎng)路-3dB點(diǎn)才能啟動3D效應(yīng)，當(dāng)輸入頻率不足以啟動RC網(wǎng)路時，反饋通道應(yīng)像一個典型通道。
輸入頻率<< -3dB點(diǎn)時
頻道A增益=（R3+R4）/ R1
頻道B增益=（R7+ R8）/ R9
當(dāng)輸入頻率高于-3dB點(diǎn)時，3D網(wǎng)路將被啟動。在此瞬間交叉投入效應(yīng)便進(jìn)行操作。如果輸入異相為180 度，那么效應(yīng)將出現(xiàn)。R3D是設(shè)置3D效應(yīng)數(shù)量的要素。降低R3D的值將引起3D效應(yīng)的增加，另外還要注意一點(diǎn)：由于R3D （R5） 和 C3D （C7）是一個HPF（高通濾波器），當(dāng)改變R3D （R5）的值時，-3dB點(diǎn)也將同時改變。
以下為一個實(shí)例，當(dāng) R1=R3=R4=R7=R8=R9=10K、 R3D= R5=20K & C3D= C7= 2200pF、輸入電壓=250mV時，
-3dB 點(diǎn) = 1 / 2pi R3D C3D
= 1/ 2 pi 20K 2200pF
= 3617Hz
–3dB點(diǎn)以下的頻道A增益= 2（（R3+R4） / R1） = 2 （2） = 4
當(dāng)輸入= 250mV，輸出電壓= 250mV x 4 = 1V時
在兩個輸入相差為180度時，交叉投入網(wǎng)路有一個附加的增益。（1 + 20K/R5）的倍增因數(shù)將引起增益的增加。所以高頻率（-3dB點(diǎn)之后）中的增益為
A頻道的總電壓增益 = 原有增益+其它頻道的附加增益
= 2 （（R3 + R4） /R1） + （1 + （20K/ R3D）
= 2 （（10K + 10K） / 10K） + （1+ （20K/ 20K）
= 6
總電壓增益 = 6 x 250mV
= 1.5V
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每當(dāng)3D效應(yīng)啟動時，把R5設(shè)置為20k將導(dǎo)致增益以（1 + 20k/20k） =2 or 6dB的倍增因數(shù)而增加。
以下為實(shí)驗(yàn)室的一個測量結(jié)果。讀者會發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入頻率低于3.6KHz時，輸出電壓為1V，但一旦頻率高于3.6KHz時，輸出會增至1.5V。
當(dāng)試圖將R3D從20K降低至10K時，并且當(dāng)–3dB點(diǎn)保持不變時：
以下為一個實(shí)例，當(dāng)R1=R3=R4=R7=R8=R9=10K、 R3D= R5=10K & C3D= C7= 4700pF、輸入電壓=250mV時，
-3dB點(diǎn) = 1 / 2pi R3D C3D
= 1/ 2 pi 10K 4700pF
= 3386Hz
–3dB點(diǎn)以下的頻道A增益= 2（（R3+R4） / R1） = 2 （2） = 4：
當(dāng)輸入=250mV、輸出電壓= 250mV x 4 = 1V時
在兩個輸入異相為180度時，交叉投入網(wǎng)路會增加一個附加的增益。
（1 + 20K/R5）的倍增：
當(dāng)輸入頻率高于–3dB點(diǎn)時，以上的公式才會生效。所有高頻率中（–3dB點(diǎn)之后）的增益為
A頻道的總電壓增益=原有增益+其它頻道的附加增益
= 2 （（R3 + R4） /R1） – （1 + （20K/ R3D）
= 2 （（10K + 10K） / 10K） + （1+ （20K/ 10K）
= 7
總電壓增益 = 7 x 250mV
= 1.75V
觀察到的3D數(shù)量也取決于其它許多因素，如喇叭的放置及與收聽者的距離。因此，建議用戶嘗試R5（R3D）和 C7（C3D）的各種數(shù)值，以感覺3D效應(yīng)如何在應(yīng)用程序中工作。對于效果來說沒有什么對或錯，而只是使每位用戶達(dá)到最滿意的程度問題而已。請注意當(dāng)啟動 3D模式時，（R3和R4）,（R7和R6）的設(shè)置僅用于增益控制。當(dāng)抑制3D模式時，增益由R2和R8設(shè)置。
喇叭效率和頻率響應(yīng)
輸送至8W喇叭的0.5W輸出功率的有效響應(yīng)，是影響喇叭效率的因數(shù)。喇叭效率的分級：0.5W的功率適用于喇叭，以喇叭之前10cm處的聲壓級（SPL）進(jìn)行分級。典型的10mm喇叭在85dB和95dB SPL之間。響應(yīng)也受喇叭助聲箱設(shè)計(jì)的影響。
