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立体声声频子系统设计 - 消费电子 - 电子工程

新一代移动已被设计成为具备多种娱乐功能的智能型像是MP3播放器、掌上型游乐器、照相机，甚或是录影机、移动电视等功能，都可配置在或可携式装置中基于以上的音效需求，立体声喇叭能让为消费者带来高品质的声光享受，因此成为不可或缺的基本配备

立体声喇叭的优势，在于相同单声道音频输入等级下，可提供额外的6dB输出量，而其噪声输出等级却不会依6dB等比例增加这种做法能带来更优秀的声频信号与噪声比表现

由于可携式装置或的体积有限，两个喇叭的置放距离受限，可能会靠得很近立体声喇叭如果互相靠得太近，音道分离能力便会减弱，导致两个喇叭无法产生立体声效果利用具备3D增强效果的声频子系统，便可以增加左右通道的分离效果，从而扩大立体声输出音效，把受影响的非立体声音重现为立体声音效

立体声声频子系

图1所示的立体声声频子系统，是一个包含立体声声频喇叭加耳机和3D增强装置的放大器也就是说，这个装置具有立体声喇叭及立体声耳机驱动功能当电源电压Vcc=5V时，立体声喇叭最大输出量可达到1.3W当每个通道在8Ω负载下、而负载降至3Ω时，则可支援每个通道达2.1W的输出量，而耳机能够在32Ω负载下输送高达80mW至每个通道此子系统利用两个独立的控制接脚来控制停机和3D开关，操控方便，设计简单，并提供耳机检测功能

图1：典型的立体声声频子系统应用线路（以 美国国家半导体LM4888为例）

基于每个耳机检测电路端口设计会採用不同要求，因此，该声频子系统提供两个独立的耳机（HP）控制输入接脚耳机的允许输入可启动SE输出耳机模式和关闭BTL输出模式耳机感应检测输入需要用一个常规立体声耳机插孔配合一起使用剩余的HP逻辑输入，能允许使用一个标准逻辑电平（Logic Level）来控制

停机接脚 耳机逻辑接脚 耳机插座感应接脚 输出模式

逻辑电平“高” 高 任意 SE输出

逻辑电平“高” 低 低（耳机未插入） BTL输出

逻辑电平“高” 任意 高（耳机已插入） SE输出

逻辑电平“低” 任意 任意 微电关机

表1. 逻辑电平真值表

在此立体声声频子系统的耳机检测控制接脚中加入一个逻辑电平，将放大器A（+out）和放大器B（+out）关闭到静音，也就是把BTL负载关闭到静音当应用SE输出时，可把静态电流减低

图2显示了如何实做立体声声频子系统耳机控制的功能当耳机尚未插入到耳机插座时，R11-R13电压分压电路在耳机检测接脚（接脚20）检测到一个约50mv的电压这50mv的电压使放大器A（+out）和B（+out）把立体声声频子系统的BTL驱动打开当立体声声频子系统以BTL模式运作时，在负载的潜在直流应是0V因此即使在理想条件下，输出也不会造成错误当耳机插入到耳机插座时，耳机插座内部会把–OUTA连接切断，并允许R13牵引耳机检测电压上拉到VDD此时将立即启动耳机功能，关闭放大器A和B，使BTL喇叭输出关闭放大器继而驱动耳机，耳机的阻抗与外部电阻R10和R11相差相当远，所以这些电阻对立体声声频子系统输出驱动影响能力是可以忽略的，其原因是典型的耳机阻抗为32Ω

图2也显示所推荐的耳机插座电源连接方法该插座配有三线插头插头的尖端和套圈应当各负载两个输出讯号其中之一，而套筒应当输送地面流转每个耳机插座带有一个控制接触接脚，连至耳机时足够驱动耳机检测接脚还有第二个输入电路能够控制BTL或SE模式的选择此输入控制接脚称为耳机逻辑输入（HP逻辑）当HP逻辑输入是逻辑电平＂高＂时，此立体声声频子系统将以SE输出模式运作当HP逻辑输入是逻辑电平＂低＂时（而HP检测接脚也是逻辑电平＂低＂）时，此立体声声频子系统将在BTL模式下进行操作

在BTL模式输出运作中（HP逻辑输入是逻辑高电平＂低＂并且HP检测输入是逻辑高电平＂低＂），耳机巳直接连到SE输出那点（在HP插座上不採用HP检测接脚），此时，喇叭（BTL）和耳机（SE）将会同时运作例如：当8Ω与32Ω并联时，反向的运算放大器输出同时能驱动喇叭和HP的负载，这也不会影响此立体声声频子系统的运作有一些声频放大器不能承受低负载，但对此立体声声频子系统而言，当喇叭降到3Ω也不会构成问题

如上所述，採用此立体声声频子系统来驱动喇叭（BTL）和耳机（SE）负载是简单易行的然而，只有HP逻辑接脚用于控制BTL / SE操作并且HP检测接脚与GND连接时，此配置才发挥作用

3D增强效应运作

以下以 National 3D 声频子系统为例，说明3D增强效应如何运作其採用交叉投入技术，在别通道上加上本通道的一个特定比例的反相180度信号

左扩音器输出出现的声频信号是：

左输出=（左输入- 右输入x比率）

右扩音器输出出现的声频信号是：

右输出=（右输入- 左输入x比率）

R3D 和 C3D两个外部元件组成了National 3D增强效应的交叉投入路此路也会产生滤波函数效果，并能控制截止频率，而3D效应在一特定的截止频率上开始生效

f3D（-3dB） = 1 / 2P（R3D）（C3D）

R3D也是设置我们所需的3D效应数量的一个要素降低R3D的值会增加3D效应的数量R3D以一个倍增因数而增加输出信号

（1 + 20k / R3D）

3D关闭

3D的逻辑电平是基于0.7Vdd而设计的

当3D控制接脚等于逻辑电平＂0＂时，採用R2与 R8作为增益反馈电路由于3D增强功能未开启，因此另一个频道将不会产生任何信号

频道A增益= 2（R2/R1）

频道B增益= 2（R8/R9）

3D启动

当3D控制接脚等于逻辑电平＂1＂时，设计师可以採用R3、R4、R7和R8作为增益反馈电路在此文件的前面我们已提到3D效应是採用交叉投入技术充当一个高通滤波器（HPF）的R5、C7和C3D是National 3D增强交叉投入路的程序块由于3D效应只在高频率时产生，所以输入频率需要高于RC路-3dB点才能启动3D效应，当输入频率不足以启动RC路时，反馈通道应像一个典型通道

输入频率频道A增益=（R3+R4）/ R1

频道B增益=（R7+ R8）/ R9

当输入频率高于-3dB点时，3D路将被启动在此瞬间交叉投入效应便进行操作如果输入异相为180度，那么效应将出现R3D是设置3D效应数量的要素降低R3D的值将引起3D效应的增加，另外还要注意一点：由于R3D （R5） 和 C3D （C7）是一个HPF（高通滤波器），当改变R3D （R5）的值时，-3dB点也将同时改变

以下为一个实例，当R1=R3=R4=R7=R8=R9=10K、 R3D= R5=20K C3D= C7= 2200pF、输入电压=250mV时，

-3dB点 = 1 / 2pi R3D C3D

= 1/ 2 pi 20K 2200pF

= 3617Hz

–3dB点以下的频道A增益= 2（（R3+R4） / R1） = 2 （2） = 4

当输入= 250mV，输出电压= 250mV x 4 = 1V时

在两个输入相差为180度时，交叉投入路有一个附加的增益（1 + 20K/R5）的倍增因数将引起增益的增加所以高频率（-3dB点之后）中的增益为

A频道的总电压增益 = 原有增益+其它频道的附加增益

= 2 （（R3 + R4） /R1） + （1 + （20K/ R3D）

= 2 （（10K + 10K） / 10K） + （1+ （20K/ 20K）

= 6

总电压增益 = 6 x 250mV

= 1.5V

每当3D效应启动时，把R5设置为20k将导致增益以（1 + 20k/20k） =2 or 6dB的倍增因数而增加

以下为实验室的一个测量结果读者会发现当输入频率低于3.6KHz时，输出电压为1V，但一旦频率高于3.6KHz时，输出会增至1.5V

当试图将R3D从20K降低至10K时，并且当–3dB点保持不变时：

以下为一个实例，当R1=R3=R4=R7=R8=R9=10K、R3D= R5=10K C3D= C7= 4700pF、输入电压=250mV时，

-3dB点 = 1 / 2pi R3D C3D

= 1/ 2 pi 10K 4700pF

= 3386Hz

–3dB点以下的频道A增益= 2（（R3+R4） / R1） = 2 （2） = 4：

当输入=250mV、输出电压= 250mV x 4 = 1V时

在两个输入异相为180度时，交叉投入路会增加一个附加的增益

（1 + 20K/R5）的倍增：

当输入频率高于–3dB点时，以上的公式才会生效所有高频率中（–3dB点之后）的增益为

A频道的总电压增益=原有增益+其它频道的附加增益

= 2 （（R3 + R4） /R1） – （1 + （20K/ R3D）

= 2 （（10K + 10K） / 10K） + （1+ （20K/ 10K）

= 7

总电压增益 = 7 x 250mV

= 1.75V

观察到的3D数量也取决于其它许多因素，如喇叭的放置及与收听者的距离因此，建议用户尝试R5（R3D）和 C7（C3D）的各种数值，以感觉3D效应如何在应用程序中工作对于效果来说没有什么对或错，而只是使每位用户达到最满意的程度问题而已请注意当启动3D模式时，（R3和R4）,（R7和R6）的设置仅用于增益控制当抑制3D模式时，增益由R2和R8设置

喇叭效率和频率响应

输送至8W喇叭的0.5W输出功率的有效响应，是影响喇叭效率的因数喇叭效率的分级：0.5W的功率适用于喇叭，以喇叭之前10cm处的声压级（SPL）进行分级典型的10mm喇叭在85dB和95dB SPL之间响应也受喇叭助声箱设计的影响