电源供应的噪音问题

移动电话的电源供应是一个很大的噪音来源，因为：

（1）射频信号的发射会产生高电流纹波；而 GSM 电话的电流纹波尤为显著，因为 GSM 电话的功率射频级按照 4.615ms TDMA 制式运作，供电线路出现频率为 217Hz，而人耳也可察觉到电流纹波。

（2）为背光显示发光二极管、电致发光片 (EL)、闪光灯及电池管理系统提供供电的板上直流/直流转换器也会将高振幅的纹波噪音传入供电线路。

开关切换噪音

每当电源进行开机/停机或输入/输出耦合电容器进行充电/放电时，电路的不稳定操作会产生这种开关切换噪音。目前普遍采用的先进节能程序经常启动及关闭系统的未用部分，令开关切换噪音问题变得尤其严重。

开启及关闭时间

音频功率放大器一向利用延迟开启及关闭的功能，以减低/掩盖来自输入级的开关切换噪音。但对于部分应用来说，这样做可能会丢失一些数据/信息。以电子游戏为例，我们玩电子游戏时，当然很想每次按键时音响系统都会有即时的响应。

不同信号的输入/输出

（1）输入信号可能来自多个不同的信源，其中包括：

﹒来自基带处理器的单声道语音

﹒来自 MP3 译码器的立体声信号

﹒多音调音乐振铃

﹒立体声 FM 电台的射频信号

（2）信号可能有多个不同的输出端口，其中包括：

﹒单声道耳机/接收器

﹒外置单声道或立体声扬声器

﹒外置单声道或立体声耳机

﹒专为汽车音响系统等外置设备而设的单声道输出

（3）数字收音机或智能电话接收的信号有部分采用数字格式，例如脉冲编码调制 (PCM)，I2S。

通用音频功率放大器是否适用无线音频系统

图1所示的通用音频功率放大器受设计的限制，无法在高噪音水平的环境中操作。由于这类放大器的电源抑制比 (PSRR) 可能不够高，无法抑制供电线路的高电流纹波的干扰，令输出信号混杂了人耳可察觉到的噪音。

图 1 音频功率放大器的典型应用电路（略）

此外，通用放大器的设计及测试基准均以 1KHz 为参考频率。一些重要的参数如电源抑制比对信号及噪音频率非常敏感。例如，开启时间若够长 (参看图 2，其中旁路电容 [Cb] = 1 F)，通用音频放大器可在 1KHz 的噪音下提供 48dB 的电源抑制比。噪音若只有 217Hz，其电源抑制比则会降至 38dB。

图 2 通用音频功率放大器的电源抑制比与噪音频率之间的
函数关系 (采用不同旁路电容作比较)（略）

根据图2显示，好像只要提高旁路电容值 (Cb) ，便可改善电源抑制比，例如 Cb 若提高至 47 F，电源抑制比便可在 217Hz 的噪音下由 38dB 提高至 68dB。但旁路电容值如果太高 ，开启时间可能会长达几秒，而且不切实际。

在这种情况下，我们需要采用专为无线通信系统而设计的音频功率放大器。这种放大器可以在 217Hz 至 1KHz 的噪音范围内将电源抑制比保持在一个稳定的水平上，同时又可确保启动时间不致太长。例如，图 3 所示的美国国家半导体 LM4890 芯片在 Cb = 1 F 的情况下，保证电源抑制比可达 65dB，而启动时间大约只需 150ms，这几个参数现在已经几乎成为无线音频系统的业内标准。

图 3 LM4890 芯片的电源抑制比 -- LM4890 是一款专为 GSM
无线通信系统而设的音频放大器(略)

美国国家半导体在其无线音频功率放大器的数据表内列明各款产品在 217Hz 噪音下的电源抑制比，以保证所有产品都可在无线通信系统中发挥良好的性能。LM4890 芯片是一款可达到这个电源抑制比水平的无线通信系统音频功率放大器。

启动时间

启动时间是无线音频系统设计的第二个最重要参数。来电振铃音调、语音控制 (VOX)、电子游戏、按键响应等操作都需要音频放大器进行快速启动及关闭，以配合节能程序的操作，同时也让有关操作有足够的响应时间。

与 LM4890 放大器芯片功能兼容的 LM4893 芯片设有独特的“即时启动”功能，无需等待旁路电容器充电及放电才可启动，即，可即时启动。

图 4 LM4893 芯片的顺序启动输出功能(略)

扬声器输出端口若在启动时进行大量充电，可能会产生难以抑制的开关切换噪音，这是工程师极为忧心的问题。为了解决这个问题，图 4 所示的扬声器便在输出管脚加设一个电源顺序启动的特别功能。每当停机管脚由逻辑低电平调高至高电平以便重新启动放大器芯片时，输出端电压不会即时上升至 Vdd 的一半，而是逐步上升，以免扬声器的振动膜突然大幅度振动，产生人耳可察觉到的开关切换噪音。

较慢的启动时间在实际环境中也有需要。例如，系统设计工程师若想设计一种较为平滑的人机接口，以播放 MP3 音乐，渐强及渐弱可能是这类应用的最理想功能。

图 5 设有"渐强渐弱"功能的 LM4897 音频功率放大器(略)

图 6 LM4897 放大器芯片的渐强渐弱功能(略)

图 6 显示渐强渐弱功能的执行过程。当 LM4897 放大器获得停机管脚的供电并重新启动之后，芯片的输出电平会慢慢上升。每当收到停机信号之后，输出电平便会渐渐下降至零。启动/关闭时间可以通过输入电阻及电容器加以设定。采用这款芯片的优点是无需加设零部件，有助节省生产成本。

受制于印刷电路板的细小面积，但又难以采用 Micro SMD 封装，怎么办呢？

MicroSMD封装是目前市场上最小的封装技术，可以解决无线通信系统印刷电路板空间有限的问题，因此已成为这类应用的理想封装。以 LM4890ITL为例来说，这款芯片的封装面积只有1.36mm 1.36mm，厚0.85mm，是目前无线音频系统普遍采用的芯片。

若需要采用较小的封装，但又欠缺先进的操作技术，该怎么办？采用 LM4905 芯片不失为一个可行的解决办法。这款芯片在 217Hz 与 1KHz 的噪音下，电源抑制比分别可以达到 66 dB 与 70dB ，启动时间短至只有 75ms，并且有 2mm 2mm (LQ) 与 3mm 3mm (LD) 等两种全新的无引线封装 (LLP) 可供选择。总的来说，这款芯片不但性能更优越，而且封装更小巧，具有更容易融入印刷电路板设计的灵活性。

图 7 LM4905 芯片有两种全新的封装可供选择(略)

此外，美国国家半导体还为无线通信系统开发了无需旁路电容器的音频放大器 (参看图 8)。没有旁路电容器，启动时间便可缩短至只有 4ms，而且仍可在 217Hz 与 1KHz 的噪音下分别维持62 dB 与 66 dB 的电源抑制比。这款无需旁路电容器的音频放大器内置输入及反馈电阻，让工程师可以利用外接的控制逻辑管脚选择 2 倍 (6dB) 或 4 倍 (12dB) 的可编程增益。这个功能有助将外接零部件数目大幅减少至两颗。

图 8 无需旁路电容器的 LM4906 音频放大器可用于无线通信系统（略）


是否需要提高电源抑制比？

部分系统电路板的供电线路产生极多噪音，而且地线会有弹跳现象。对于这类应用来说，电源抑制比有必要进一步提高，而图9所示的集成电路是系统设计工程师可以考虑的解决方案。这是一款全面差分输入及输出的音频功率放大器。这款芯片的电源抑制比达83dB，而且由于采用了全面差分输入的架构，因此共模抑制比 (CMRR) 也较高，可以将输入铜线迹 (trace) 及地线弹跳可能带来的噪音加以抑制。只要加设一个特别设计的输入级，全面差分输入模式便无需采用输入耦合电容器。这样会有助减少所需零部件的数目，节省系统成本，将开关切换噪音减至最低。

图 9 LM4898 芯片的典型应用电路（略）


是否要提高效率，延长电池寿命或降低升温？

耗电及内部升温是部分应用系统需要面临的重大问题，要解决这些问题，我们可以考虑采用 D 类 (Class D) 放大器。这类放大器的转换效率达 85%，比 AB 类放大器有约55%的提高，但原则上 D 类放大器只是一种采用高频信号作为载波的开关放大器，因此需要加设低通滤波器 (一般采用 LC 网络)，以便将输出端的低频音频信号复原。这样可能会对射频系统的高频区造成干扰，而且经常会令音频信号频带出现较高的失真，甚至带宽也会受到一定的限制。此外，由于采用LC 滤波器网络需要另外添加零部件，因此也会占用印刷电路板更多板面空间。

无需滤波器的 D 类放大器推出之后，这些问题便迎刃而解。这种放大器可以充分利用扬声器的自身电感及低频响应特性，因此无需加设外接的低通滤波器。但典型 D 类放大器的电路布局采用脉冲宽度调制 (PWM) 技术，因此只能提供有限的带宽。一直以来，-3 dB 的带宽只能支持 7 KHz 以下的频率，因此只适合放大器在 300 至 3400 Hz 之间的音频带操作，无法支持目前的多音调振铃及 MP3 播放。

为了解决这个有限频率响应问题，一种采用 Sigma Delta 调制并无需加设滤波器的全新 D 类放大器便应运而生。这款芯片可以利用 Sigma-Delta 调制的噪音波形修整技术，为 20 KHz 的噪音提供全音频频率响应，而功率转换效率达 84%。此外，这款芯片可提供 6 及 12 dB 的可编程增益，有助精简电路设计，以及将所需的外置零部件数目减至最少。

图10 无需加设滤波器的 D 类放大器 LM4667（略）


是否需要多个输入及输出？

可支持多媒体功能的手机可能要处理多个不同的输入信号源，例如来自基带处理器的单声道语音，以及来自音乐振铃、FM 立体声广播或 MP3 译码器的立体声信号。此外，这类手机的信号也可能来自多个不同的输出端，例如内置耳机、扬声器、外置单声道或立体声耳机，因此设计简单的放大器电路无法有效解决这方面的问题。美国国家半导体推出的模拟音频子系统可以利用 SPI 或 I2C 一类的通用数字控制总线全面控制多个不同输入及输出的操作，以解决这方面的问题。

图11显示的集成电路便是这种模拟音频子系统的典型电路。这类集成电路专为基带处理器输出的单声道语音信号提供单声道输入，另外也为 FM 立体声接收器、MP3 播放器或音乐振铃芯片的信号提供一对立体声输入，并利用 I2C 总线提供 32 级数字音量控制。这款电路的输出端设有功率达400mW 的单声道功率放大器，以便驱动内置扬声器/耳机，另外也设有 25mW 的立体声耳机，以便驱动外置立体声耳机的输出。这款集成电路设有 8 个不同的操作模式，让系统设计工程师可以将输入及输出灵活搭配成不同的组合。这款芯片采用高度集成的结构，因此只需 7 颗外置零部件，而且由于采用面积只有 2 2.3mm 的 micro SMD 封装，因此只占用较少的印刷电路板的板面空间。以目前的模拟无线音频系统设计来说，这是一个重大的技术突破。

图 11 LM4852 模拟音频子系统（略）


立体声扬声器驱动器

随着 JAVA 电子游戏的面世，振铃和 MP3 音乐也可以下载，单声道的扬声器输出无法满足客户的要求。根据目前的发展趋势，可支持立体声扬声器输出的手机将会大受市场欢迎。利用这种手机玩电子游戏的用户可以亲身体验炮弹仿似从左方飞向右方，好像置身现场一样。这是真正立体声的 MP3 播放带给我们的欢乐。

图12 专为无线通信系统而设的 LM4992 立体声音频功率放大器（略）

这个新的市场发展趋势为厂商创造了无限的商机。鉴于此，美国国家半导体为无线通信系统推出两款立体声放大器。图 12 的 LM4992 是其中一款专为无线通信系统而设计的放大器芯片，而且也是首款立体声音频功率放大器。这款放大器可在 217Hz 的噪音下保持 64dB 的电源抑制比。

是否需要利用立体声扬声器制造仿似置身现场的立体声效果？是否需要表现立体声的 3D 效果？

蜂窝式移动电话先后添加了多音调振铃、嵌入式相机及 MP3 播放等功能之后，下一波的发展将会是在电话内加设立体声扬声器。但由于手机受其体积所限，立体声扬声器的位置不得不相距较近，以致减弱了立体声的效果。为了解决这个问题，美国国家半导体便利用可加强 3D 效果的技术开发 LM4857 立体声音频子系统 (参看图13)。

这款芯片设有一对单声道输入及一对立体声输入，并可通过 I2C 总线支持 32 级的数字音量控制。此外，这款芯片的输出端也设有 6 个音频放大器输出：

（1）一对专为驱动内置立体声扬声器而设的 495mW/8 立体声BTL扬声器放大器，以便播放音乐振铃或其他音乐。

（2）一对专为驱动外置立体声耳机而设的 25mW/32立体声耳机驱动器。

（3）为驱动外置单声道耳机而设的 25mW/32单声道放大器，以便接收一般来电的语音。

（4）为免持听筒等外接功能而设的单声道输出。
这款芯片的模式混合器设有 16 种操作模式，系统设计工程师可以利用 I2C 接口的编程功能，将输入及输出灵活搭配成多种不同的组合，让工程师有更大的自由度充分发挥人机接口的灵活性。

图13 采用美国国家半导体 3D 技术的 LM4857 立体声音频子系统（略）

内置美国国家半导体 3D 功能的 LM4857 芯片可以加强立体声的效果，即使扬声器的位置相距较近，也可确保在较大的范围内取得立体声的效果。此外，这款芯片也设有美国国家半导体的 3D 开/关及调校功能，可以独立开启/关闭内置立体声扬声器及外置立体声耳机，或协调两者的功能，开/关操作则通过 I2C 控制接口执行，而美国国家半导体的 3D 效果则由设计简单的外置电阻器 / 电容器网络负责控制，这样可以将 LM4857 音频子系统的外置零部件数目大幅减少至只有12 颗，这款LM4857ITL芯片采用微型 micro SMD封装，大小只有 2.5mm 3.0mm。

数字音频接口

依照目前的市场发展趋势看，新一代的蜂窝式移动电话将会全面采用数字基带设计，确保所有模拟音频信号可以全部转为数字信号，以便充分利用最新的亚微米数字 CMOS 工艺技术，让系统设计可以充分发挥其性能。

至于语音频带方面，音频信号通道可以采用双向的串行脉冲编码调制 (PCM) 接口，而立体声通道则普遍采用串行 I2S 接口。

图14 LM4930 数字多媒体音频子系统（略）

图14所示的 LM4930 芯片是专为数字音频应用而开发的，可为音频带译码器及麦克风编码器提供一个 16 位、8KHz 的双向脉冲编码调制接口。16的分辨度可加强人声识别的准确度，尤其是高频声音较多的女声。此外，LM4930 芯片也内置可以数字编程的侧音相消功能，以便生产时可以轻易调校频率波幅。

至于立体声信号通道方面，内置 I2S 数字音频接口的数字模拟转换器 (DAC) 可以进行宽 16 位、取样率 48KHz 的立体声数字模拟转换，以便为立体声信号译码功能提供支持。

所有译码器输出都会传送到内置混频器，然后再输出到内置扬声器放大器及专为驱动外置耳机而设的立体声耳机驱动器，所有信号通道都可利用 I2C 控制接口加以设定。

LM4930 芯片是美国国家半导体推出的第一款数字音频子系统。美国国家半导体一直非常重视迅速发展的无线通信产品市场，目前正致力开发多款更先进的音频子系统，以便满足这个市场的需要。