Аудио интегрални схеми

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2013

Стефан Куцаров

Основните блокове на съвременните усилватели за звуковъзпроизвеждане и запис се реализират практически изцяло с интегрални схеми (ИС), произвеждани от множество фирми. Към функционалността им непрекъснато се прибавят нови възможности, които изискват както изменения в структурата на ИС, така и създаването на нови техни типове.

Като примери е достатъчно да се споменат окончателното преминаване от аналогов към цифров звукозапис и все по-масовото използване на слушалки и миниатюрни високоговорители в различни преносими устройства.

В съвременните системи за звуковъзпроизвеждане и запис непрекъснато се прибавят все повече спомагателни ИС - за регулиране на усилването и безжична връзка между техни блокове, специализирани операционни усилватели (ОУ) и цифрови сигнални процесори (DSP), аналогови ключове, приемници и драйвери за линии, интерфейси. Цялото това многообразие се включва в групата на аудио ИС, на чиито основни разновидности, най-важни параметри и приложения е посветена статията.

Усилватели на мощност за звуковъзпроизвеждане
Известни като Speaker Amplifier, те са предназначени за захранване на високоговорители и тонколони.

Количеството и начинът на разположение на озвучителните тела зависи от използваната система - моновъзпроизвеждането е с едно озвучително тяло и моноусилвател, стереовъзпроизвеждането е с две тела и стереоусилвател (Dual Audio Amplifier), а при системата 5.1 се използват 6 тела и 6-канален усилвател.

Последният е най-разпространеният представител на категорията Multichannel Audio Amplifier. Използват се и 4-канални усилватели (най-често в автомобилни системи), захранващи две озвучителни тела пред слушателя и две зад него.

В зависимост от начина на работа на изходното стъпало на усилвателите има две основни групи, като първата са аналоговите и тя включва известния клас АВ и две съвременни негови разновидности. В основата им е мостовата схема Bridge Tied Load – BTL, пример за която е показан на фиг. 1, (представяща ИС от ред 1 на табл. 1). Схемата е обхваната от отрицателна обратна връзка (резисторите по 20 kW) за задаване на коефициента й на усилване.

Напрежението на вход 4 се инвертира от горния усилвател и определя това на изход 5 спрямо маса. Същото напрежение, но без промяна на фазата, се получава и на изход 8 поради действието на долния усилвател.

Така напрежението между двата извода теоретически е 2 пъти по-голямо от това, на който и да е изход спрямо маса и съответно се получава 4 пъти по-голяма мощност POUT. Независимо, че реалната мощност е около 3,5 пъти по-голяма, това е сериозно предимство най-вече за апаратури с батерийно захранване, където желаната й стойност се осигурява от по-малко захранващо напрежение (Supply Voltage) VDD.

При това между двата изхода няма постоянно напрежение, определящо и предимството на свързване на озвучителното тяло (наричано и товар) без кондензатор. Блокът BIAS осигурява постоянно напрежение на неинвертиращите входове на усилвателите, равно на 0,5 VDD, а благодарение на тяхната структура то е и на всеки от изходите спрямо маса.

Съществуват ИС с несиметричен вход (Single Ended) SE за свързване на товар между него и маса през кондензатор, които съдържат един усилвател. Твърде често производителите на ИС с BTL дават в каталозите и схеми за свързване с SE, а съществуват и ИС с управляващ вход чрез логическо ниво, на който се установява един от двата режима на работа. Чрез замасяване на извода SHDN усилвателят се изключва и консумираният му ток намалява на ISHDN.

Изводът не е задължителен, може да има и други означения, а изключването да става чрез свързването му към VDD.
Известно е, че усилвателите клас АВ имат максимален теоретичен коефициент на полезно действие (Efficiency) h=78,5%, който представлява отношението на POUT и мощността, доставяна от VDD.

Той се получава при амплитуда на изходното напрежение VOUT, равна на VDD. Реалният h е правопропорционален на POUT и достига до около 68%, като в масовите практически случаи рядко надхвърля 50%. За поддържане на най-голямата му възможна стойност би трябвало VDD да се променя непрекъснато пропорционално на POUT, за което се използват два подхода.

 Първият са усилвателите клас G, които при малка мощност се захранват с 0,5 VDD, а при нарастването й над определена стойност – с VDD и реалният h е по-голям от този в клас АВ. По-нататъшното увеличаване на h се постига от усилвателите клас Н (Class H), при които изходното напрежение на вграден в ИС ключов стабилизатор (обикновено повишаващ) се регулира плавно в зависимост от входното напрежение и съответно POUT.

Например тези два класа се използват за захранване на керамични високоговорители (Ceramic Speaker) с основни приложения в смартфони и други портативни електронни устройства. Специфична тяхна особеност е, че товарът е резистор (обикновено 10 W), свързан последователно с капацитета на високоговорителя.

В таблица 1 са дадени характерни примери за ИС, като POUT е най-голямата средноквадратична стойност на всеки от изходите, а RL са препоръчваните стойности на съпротивлението на товара. Захранващият ток (Supply Current) IDD е при липса на товар в изхода. Коефициентът на усилване по напрежение (Voltage Gain) VG се дава само в част от ИС, тъй като в останалите се определя чрез външни резистори.

Сумарното влияние на коефициента на нелинейни изкривявания (Total Harmonic Distortion) THD и шума (Noise) N с означение THD+N е като процент от VOUT. Максималната разсейвана мощност (Continuous Power Dissipation) PD е в сила до определена температура TD – често производителите предлагат дадена ИС в няколко корпуса, всеки с определена PD. Входното съпротивление (Input Resistance) RIN се дава само за някои ИС.

За предпазване на ИС от повреда поради прегряване те се изключват при праговата температура (Thermal Shutdown Threshold) TSDT, а възстановяването на работата става при температура, по-малка с големината на хистерезиса (Thermal Shutdown Hysteresis) TSNH. Коефициентът на потискане на захранващото напрежение (Power-Supply Rejection Ratio) PSRR показва с колко децибела изходното напрежение е по-малко от предизвикалото го променливо напрежение, насложено върху VDD.

Част от най-новите усилватели имат вграден интерфейс I2C (например тези от редове 5 и 11 на табл. 1) и/или SPI с контролни (регистриране на наличието и липсата на товар и късо съединение) и управляващи функции (включване и изключване на някои от изходите и програмиране на VG и TSDT). Усилвателят от ред 12 от таблицата е предназначен за телефони.

Втората група са усилвателите клас D със структура и осцилограми на всеки от изходите, показани на фиг. 2. Напрежението на входа AIN се усилва от предусилвателя А и постъпва на единия вход на блока PWM, докато на другия генераторът G осигурява правоъгълни импулси с типична честота f0 между 250 kHz и 1,5 MHz. В резултат на изхода се получават импулси с широчинноимпулсна модулация (ШИМ, PWM) и всеки е с продължителност, съответстваща на амплитудата на входното напрежение в момента. Импулсите се усилват от изходното стъпало OS.

Тъй като неговите транзистори (почти винаги MOS) работят в ключов режим, се получава по-малка PD в сравнение с аналоговите усилватели и по-висок к. п. д. h с максимална теоретична стойност 100%. Типичните му стойности са не по-малки от 85%, зависят от загубите в MOS транзисторите и разсейваната мощност в останалите стъпала и се запазват приблизително неизменни в широки граници на POUT, което е важно предимство. Филтърът LC пропуска само средната съставка на импулсите, която е изходният аналогов сигнал.

Пример за свързване на филтъра към един от BTL изходите на ИС от ред 8 на табл. 2 е даден на фиг. 3а. С LOUTP и LOUTN са означени изводите за високоговорителя, кондензаторите 0,22 mF са на блока за повишаване на изходното напрежение и RC групите между всеки от изводите и маса отстраняват евентуални резонансни явления.
Наличието на бобина независимо от малката й индуктивност е сериозен недостатък, особено в портативни апаратури, който се избягва чрез премахване на филтъра (Filter-Free Class D Amplifier) с помощта на две разновидности на PWM.

Едната е импулснокодовата модулация (Pulse-Code Modulation) PCM, в която при всеки импулс от G се получава двоично число, пропорционално на амплитудата на входното напрежение. Типичен пример е МАХ9835 на Maxim. Другата е относителната импулсна модулация (Pulse Density Modulation) PDM, която е другото име на известната от аналогово-цифровите преобразуватели сигма-делта (S-D) модулация. Чрез високочестотен филтър тя се преобразува в PWM, а пример за нея е ИС от ред 6 на табл. 1.

Също за отстраняване на филтъра се използва и PWM с три нива (3-level PWM), при която към двете логически нива от класическия случай е прибавено и нулиране за известно време на изходния сигнал. Пример за нея отново е ИС от ред 6.
За намаляване на създаваните от PWM и излъчвани главно от кабелите към товара електромагнитни смущения (EMI) в някои усилватели се използва модулация с разпределен спектър (Spread-Spectrum Modulation), при която f0 не е фиксирана, а плавно се изменя в определени граници, обикновено ±10% около номиналната стойност.

Тъй като EMI нарастват с намаляване на времето за превключване на транзисторите в OS, е създаден метод за намаляването им чрез формиране на фронтовете, при което се запазва високият h. Пример е ИС от ред 3 на табл. 2, която има интензитет до 10 dBmV/m на EMI на разстояние 60 cm от кабела и в техен обхват до 400 MHz.
Самото OS се реализира с полумостова схема от два транзистора, входовете на която се свързват към стъпалото PWM.

Пример за стереоусилвател с две полумостови схеми е даден на фиг. 3б, като всеки от изходите (изводи ROUTP и ROUTN) е между транзисторите, а захранващото напрежение PVDDR е спрямо масата PGNDR. За големи POUT се използват мостови схеми (H-Bridge) с по 4 транзистора за всеки изход – пример е даденият в ред 6 на таблица 2.
Усилвателите с POUT до около 4 W обикновено са моно и се използват в портативни устройства, като приложенията им бързо нарастват.

За същите цели са предвидени и усилвателите клас DG с вграден преобразувател с натрупване на заряд (Charge Pump) за генериране в ИС на отрицателно захранващо напрежение. Предимството им е получаването на голям h в широк обхват на входните напрежения. За портативни устройства са и т. нар. Boosted Class D усилватели с вграден повишаващ ключов стабилизатор (бобината му е свързана външно към ИС), който осигурява практически неизменно захранващо напрежение при промени на напрежението на батерията и, съответно, независима от последната стойност на POUT.

За намаляване на броя на външните елементи съществуват ИС с вградени блокиращи кондензатори на аналоговите входове, например даденият на ред 3 от таблица 2.
Многобройни са допълнителните възможности, които притежават и двете групи усилватели на мощност.

Достатъчно е да се споменат изключването на звука (Mute), на захранващото напрежение (Shutdown) за намаляване на постояннотоковата консумация, изборът на режим моно или стерео, избягването на пукането във високоговорителите при включване и изключване на захранването (Click-and-Pop Suppression), задаване чрез двоично число на желана стойност на VG, избор на една от величините TSDT и TSDH, изключване на ИС при превишаване на избраната TSDT, ограничаване на максималната POUT (Digital Power Limiter), защита от късо съединение на изходите за високоговорителите, понякога съпроводена с логическо ниво на специален извод (Fault Protection).

Част от усилвателите се управляват чрез интерфейса I2S (I2S Bus), разработен за цифрово управление на аудиосистеми.

Усилватели на мощност за слушалки
Предназначени са за преносими устройства, което определя основните им особености спрямо предния тип – те имат по-малки POUT, VDD и IDD, по-големи RL (поради особеностите на слушалките) и по-малките размери на корпуса на ИС (често със сферични изводи).

Поради малките POUT и, съответно PD, максималното повишаване на h не е така съществено, както при предния тип усилватели, поради което практически всички усилватели на мощност за слушалки са аналогови. Обикновено те са с изход SE и за получаване на нулеви постоянни напрежения на изходите спрямо маса и съответно свързване на слушалките без блокиращи кондензатори (Direct Drive Amplifier) в ИС се вгражда преобразувател с превключваеми капацитети за осигуряване на отрицателно захранващо напрежение (например дадените в редове 3 и 7 на табл. 3). За разширяване на приложенията някои усилватели могат да работят и с по-високоомни товари, например 600 W за захранване на линии или 5 kW (даденият в ред 7 на табл. 3).

При ползването на усилвателите за слушалки не трябва да се забравя, че поради зависимостта на POUT от VDD в някои каталози се дават няколко нейни стойности при различни напрежения. Сравнително рядко ИС са с вграден интерфейс I2S, например тези в редове 1 и 2 на таблицата, предназначен за задаване на различни VG. Друга особеност на ИС от ред 2 е вграденият понижаващ ключов стабилизатор за осигуряване на изменящо се захранващо напрежение.

Към тази категория е и усилвателят СХ3000 на Conexant, който е клас Н, има вграден блок за съгласуване със слушалки с различно RL, управление с интерфейса I2S и работи със захранващо напрежение 1,71-3,6 V.

Микрофонни усилватели
Една от функциите на голяма част от портативните устройства е да приемат, усилват и евентуално обработват звукови сигнали. Естеството на приложенията определя използването на едноканални (моно) микрофонни усилватели, означавани обикновено като Microphone Amplifier и по-рядко Microphone Preamplifier.

Практически във всички споменати приложения се ползват електретни кондензаторни микрофони, за чиято работа е необходимо постоянно захранващо напрежение (Bias Voltage) VBIAS, осигурявано от вграден в ИС блок. Стойността на VG в някои усилватели е фиксирана, а други съдържат блок за автоматично регулиране на усилването (Automatic Gain Control) AGC, който осигурява неизменно изходно напрежение VOUT при промяна на напрежението от микрофона.

Обхватът на изменение на VG също се означава с AGC. Важни за приложенията са горната гранична честота (Small-Signal -3dB Bandwidth) BW, обхватът на изходното напрежение и изходното съпротивление ROUT.

Пример за структурата на микрофонен усилвател (фиг. 4) е тази на дадения в ред 3 на табл. 4. Блокът Low-Noise Reference осигурява VBIAS през резистора RMICBIAS, малошумящият предусилвател LNA е с показания фиксиран коефициент на усилване, а VGA е усилвател с променящо се чрез блока AGC усилване между +20 dB и 0 dB, което следи изхода на LNA. Задаването на един от трите възможни обхвата на коефициента на усилване се осъществява чрез специален извод от последното стъпало GAIN.

Изводът SHDN се използва в голяма част от микрофонните усилватели и показаното му свързване осигурява постоянната работа.
Особеност на ИС от ред 2 на таблицата е работата с два микрофона, свързани към отделни входове, желаният от които се избира чрез логически сигнал на специален вход.

Дадената на ред 5 ИС е предназначена за работа с динамични и кондензаторни микрофони и затова няма нужда от VBIAS. Използва се във висококачествени смесители (включително цифрови), за радиоразпръсквателни станции и за цифрови звукозаписващи и възпроизвеждащи устройства.

Съществуват микрофонни усилватели с вграден АЦП и използване на изходния му цифров сигнал (вместо VOUT) в преносими компютри (даденият в ред 1 на табл. 4 е с 24 b число) или за предаване по някой от стандартните серийни интерфейси. Пример за последното е СХ20812 на Conexant с 4 входа за микрофони и линии всеки със собствен АЦП и вградени програмируеми активни филтри. Цифровото регулиране на усилването е в границите от -74 dB до +6 dB със стъпка 0,125 dB, а интерфейсът е I2S.

ИС за аудио модули
Известни са като Audio Subsystems IC и обикновено съдържат аналогови усилватели с възможности за свързване на слушалки и/или високоговорители, като последните са с мощности до няколко W. Примери за тях са дадени в табл. 5, като тези в редове 1 и 2 имат отделен усилвател клас D с изводи за високоговорител и аналогов за слушалки. Със S са отбелязани параметрите за работа с високоговорител, а с Н – тези за слушалки, които в каталозите са в отделни таблици.

В редове 3 и 4 усилвателите са аналогови с един изход и за двата товара. Изборът на товара се прави чрез логическо ниво на специален вход.
Към аудио модулите могат да бъдат причислени и устройствата за разговори чрез Bluetooth, тъй като те съдържат микрофон с АЦП, слушалка или високоговорител с цифрово-аналогов преобразувател и приемопредавател в обхвата 2,4 GHz.

Пример е ИС nRF2460 на Nordic Semiconductor, която включва тези блокове и микроконтролер и може да превключва каналите между 2,4 и 2,48 GHz със стъпка 1 MHz. Изходната мощност на предавателя е 1 mW, а захранващото напрежение – между 1,2 и 3,3 V.

Цифрови конвертори
Използват се в съвременните аудио ИС и системи, части от които работят с цифрови вместо с аналогови сигнали, имат общо наименование Audio Data Converter и се разделят на 3 групи. Първата са преобразувателите на звуковите сигнали в двоични числа с наименование аудио ЦАП (Audio DAC) и приложения в приемници за цифрова телевизия (Set-Top Box), медийни сървъри (Media Server), устройства за цифров видеозапис и др.

Типичен пример е МАХ5556 на Maxim Integrated с вход от интерфейса I2S, два 24 b ЦАП с възможност за преобразуване и на 16 b данни и стереоизход за максимално напрежение 1,22 V с товар не по-малък от 10 kW/100 pF. Скоростта на приеманите данни може да се програмира между 2 kHz и 50 kHz, а THD+N е под 0,005%.

Със същия вход и изход е PCM5121 на Texas Instruments, но той работи и с 32 b данни, има изходно напрежение до 2,1 V и управление с интерфейсите I2S и SPI. Минималното съпротивление на товара в изхода е 1 kW, което позволява свързване към него до 10 приемника – телевизори, видеоустройства и др.

Втората група са стерео АЦП (Stereo A/D Converter) с приложения в споменатите приемници, устройства за смесване и запис на цифрови сигнали и др. Тук може да се спомене PCM1804-Q1 на Texas Instruments с напрежение на диференциалния си вход до ±2,5 V, THD+N под 0,001% и 24 b изходно число в съответствие с I2S.
Най-често се използва третата група на аудио кодиращите и декодиращите ИС (Audio Codec), които обединяват функциите на предните две.

Приложенията им са в устройства за запис и възпроизвеждане на звукови и видеосигнали, преносими компютри и навигационни устройства, подвижни телефони и др. Имат 1 до 3 несиметрични или диференциални входа за микрофони, които в някои ИС могат да се използват и за линии, както и отделни входове за линии.

Техните сигнали се подават на усилвател с програмируем в широки граници коефициент на усилване и постъпват на АЦП. Изходните му сигнали се обработват, често чрез I2S, преобразуват от ЦАП, усилват и подават на усилвател за слушалки, за високоговорител или и за двете.

Съществуват ИС, например дадените в редове 1 и 2 на табл. 6, които съдържат едновременно АЦП и ЦАП, при това повече от един. Вече се предлагат и ИС с вграден цифров сигнален процесор (DSP) за обработка на сигналите.

Типичен пример е АК7757 на Asahi Kasei Microdevices с 24-битов процесор, два АЦП и 4-канален ЦАП с вход за микрофон. Предлагат се и специализирани DSP, например СХ20805 на Conexant с приложения в смартфони и други портативни звуковъзпроизвеждащи устройства.

Компресиране на звук
Представлява превръщане на звуковия сигнал в цифров чрез АЦП с последваща обработка чрез специален алгоритъм за свеждане на обема на данните до минимум. Непрекъснато нарастващите приложения на компресирането са за запис в памет и предаване на разстояние по цифрова комуникационна линия.

Основната част на този процес се осъществява чрез микроконтролери и цифрови сигнални контролери (DSC), поради което техните производители предлагат алгоритми и конкретни технически решения.
Така например компанията Microchip Technology е създала програмните продукти IMA ADPCM за своите 8- и 16-разредни микроконтролери, G.726A за сериите PIC24 и dsPIC и ADPCM за 32-разредни микроконтролери. На фиг. 5 е дадена блокова схема за компресиране, ползваща 16- или 24-разредна кодиращо-декодираща ИС, управлявана от SPI, вграден в микроконтролер или DSC.

Чрез свързващия блок DCI цифровите данни постъпват на микроконтролера MCU, съдържащ алгоритъма за компресия, и от него се записват в паметта EEPROM.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top