一种新型音频功放数字电调谐的ASIC实现

摘　要:本文介绍了一种新型具有数字音量调节功能音频功放的工作原理和设计方法,并将设计应用于实际电路中,获得了很好的效果. 采用按键式音量控制器操作方便,大幅降低了与此相关的软件成本,应用前景广阔.
关键词:音量电调谐；数字控制电路；电阻网络；SPECTRE仿真

音频功放电路在实际应用中都要涉及到音量的电调谐问题,而通过调节放大电路的增益来控制音频放大电路的音量是比较有效的,目前应用比较多的有以下2 种实现方法: 1)模拟控制方法,这种方法一般是在面板上放置电阻器,通过手动调节其大小来改变放大器增益. 这种方法的缺点是接触表面易磨损,导致接触不良,带来比较大的噪声;电阻调节大小也不容易精确控制;由于是外接电阻,需要较长的引线,也会带来声音的串扰. 2)通过D /A转换和电流电压变化器来实现, 这种方法电阻调解是比较平滑的,但不符合人的听觉习惯,增益的大小不是按指数变化的,所以也存在音量控制不平滑的缺点. 本设计采用数字控制方法来实现音量的调谐,直接将控制电路集成在音频电路中,节省了电路的面积,而且也可以精确控制音量.

1　工作原理和电路设计

这种方法是用变阻器控制音频放大电路的增益并由此来实现音量的调节,而变阻器由数字电路来调节.

功放的增益是由反馈电阻与输入电阻的比值决定的(如图1). 因此,要调节功放增益的大小,只需调节两个电阻Rf 和Ri 的比值就可以了.

图1　音频放大电路

电阻调节的档次和档次间变化的大小可根据实际需要来确定,原理都是一致的. 在我们设计中,音量在- 33dB ～12dB 之间进行调节,每次调节3dB,分16个档. 要实现这一点就要有17个对应的电阻组成电阻网路,简单原理图如图2.这样,选取合适的电阻值,利用控制开关S-33～S12就可以并控制音量了.

图2　实现音量调节的电阻网路原理图

1. 1　电阻网络设计
在实际的电路设计中,分压电阻的选取是设计的一个关键. 人的听觉响应随声强的变化不是线性的,而是接近于对数式,当人感觉到声音增加1倍时,实际上声强已经增加了10倍. 所以在这里不能简单的利用等值的方法来选取,而是利用分贝( dB)数来取值. 下面给出电阻选取方法,这里设总电阻为R.

总结以上规律,可得到通项公式:

这样就可以根据实际工艺条件和精度要求来选择合适的电阻值. 我们在设计中采用的是注入电阻,将最终的调节精度误差控制在10%以内.

1. 2　电阻控制电路的工作原理及其ASIC设计
电阻Ri 和Rf 控制电路的结构主要分为POWER RESET电路,计数电路,译码电路,模拟开关电路等几部分. 上电以后利用对电容充放电的控制, 由POWER RESET电路在电源达到某一电平时产生一个信号给后面的D触发器复位,并最终使增益复位为1,对应的音量为0dB,此时输出与输入幅值相同. 音量的增大和减小是由2个输入信号CLOCK和UP/DOWN 来控制的, CLOCK一直为低电平或高电平时增益不发生变化,音量保持原值;当CLOCK上升沿的时候采集UP/DOWN状态如果为高,计数器“加1”,通过后面的4 -16译码器选通模拟开关的控制端S-33～S12中的一个, S-33～S12分别连接不同阻值的电阻R1 ～R17的端点. 反馈电阻Rf 增加、负向输入电阻Ri 减小, 放大器增益增大,音量变大. 音量减小的控制方法正好和此相反.

电路实际设计中, 在复位后COUNTER 模块在CLOCK、UP/DOWN信号的控制下,实现“加1” 或“减1”的功能提供给后面的译码电路,并通过后面4 - 16译码后为16个开关提供输入控制,模拟开关( S-33 ～S12)是由16个传输门构成的. 为降低非工作状态下无用的功率消耗,电路中还加入了SHARTDOWN模块. 由以上原理设计出具体实现电路,电路的功能框图如图3所示:

图3　电阻控制电路的功能框图

2　仿真和实际应用

应用SPECTRE仿真器对采用了数字音量调谐电路的音频功放仿真,加入一个幅值为1 V,频率为1kHz的正弦激励信号,并调节CLOCK和UP /DOWN,得到图4所示的曲线.
图4　音频功放仿真结果

从仿真结果得到的曲线我们可以看出,这种带数字电调谐音频电路在复位后能够实现音量的16档指数调节,而且如果在音量增大的过程中检测到已经达到最大值或减小的过程中检测到已经达到最小值,能够保持. 实际设计中控制SHART2DOWN电流在0. 3μA以内. 采用这种方法设计的音量调节器不仅仅可以应用在音频放大电路芯片的设计中,也可以用在其他需要变阻器的地方.