双声道混合音频系统的设计与实现

吴继伟

(广州海格通信集团股份有限公司网通分公司，广东广州 510663)

随着经济发展与生活水平的提高，越来越多带有音频输出功能的电子产品开始出现，如MP3/MP4、手机、电子书等;以及集成了音频系统功能的汽车、电脑、家庭音响等也不断更新换代，生活中已逐渐离不开音频的相关产品。而在这些产品中，有单声道输入及单声道输出;或是两声道或更多声道输入及单声道输出;以及多声道输入和多声道输出。

现有音频相关产品的系统解决方案中，采用运算放大器、功率放大器等集成电路实现的音频系统，大部分是单声道输入及单声道输出类型，而对例如多声道输入及单声道输出或单声道输入及多声道输出等类型的系统解决方案却较少提及。随着半导体技术的发展，虽然各大半导体厂商已经就多输入及多输出音频系统推出芯片级解决方案，如ADI公司推出音频编解码器ADAU1761，可同时提供4路声道输入及6路声道输出，但该设计方案成本较高，需增加其他处理器对其进行参数配置等，但设计复杂，不适应在要求设计简单、使用方便、成本低等场合。故文中将以双声道输入及单声道输出为例，阐述采用运算放大器及功率放大器等实现双声道混合音频系统的解决方案，可为其他应用场合的音频系统解决方案提供参考。

1 系统的解决方案

根据双声道混合音频系统的应用特点，该系统有两路声道输入源，经整合后单路声道输出。在该系统应用中，双声道输入源信号幅值及频率等均有可能不同，且同一时刻任意一路声道源都将可能成为音频系统输入源时，如何将变换不同输入源到音频系统后，还能保持低噪声使两输入源能正常输出到喇叭而不产生串扰。针对以上问题，需设计不同的前级缓冲电路以匹配不同的输入源，以达到解决上述问题的目的。

图1 系统解决方案的组成框图

制定系统的解决方案时应注重安全性、稳定性和性价比等问题，故采用集成电路和分立元件相结合的方式实现，系统解决方案的组成框图如图1所示，其主要由前级缓冲电路、中间级混合电路及后级驱动电路等3部分组成。前级要求是不失真的电压传输;中间级完成相应声道源信号的混合等功能;后级是为获得一定的不失真输出功率，达到更好驱动负载的目的，即可完成系统功能。

2 系统中各部分电路设计

2.1 前级缓冲电路设计

前级缓冲电路位于系统的最前端，与输入源起信号匹配作用，通常由输入阻抗高、输出阻抗低的射极输出器或电压跟随器构成。文中只给出其中一路声道前级缓冲电路图，另一路只需针对不同声道输入源，改变电路中个别器件参数即可。图2是声道一前级缓冲电路图。

图2 声道一前级缓冲电路图

音频变压器T1可使两个不同系统因地电位不同避免其直接连通;且因与输入源仅通过磁路连接，可切断地环路电流，故可避免形成地线环路干扰及降低因直接互连造成的噪声。音频输入源通常均是小信号，且夹杂着一定噪声干扰，系统各级电路除放大有用的小信号外，也将同时放大微弱的噪声干扰，最后形成噪声。在信号通道中引入低通滤波器，可有效抑制噪声［1］。为达到更好的拟制效果，电路设计时既采用了无源低通滤波器，又采用了有源低通滤波器。

无源低通滤波网络由两个无源一阶低通RC滤波网络级联组成，级联后的低通滤波器得到一定衰减斜率的特性，有助于改善信号的频率特性。有源低通滤波网络，其核心器件是运算放大器NE5532，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗较高，而输出阻抗又较低，因而构成有滤波器且具有一定的电压放大和缓冲作用，所以应用广泛［2-3］。

集成运放NE5532具有较好的噪声性能、优良的输出驱动能力及较高的小信号带宽和电源电压范围大等特点，是一种在音频系统方面应用的通用双运算放大器，适用于在高品质和专业音响等设备中的通道放大器，用作音频放大时音色温暖、保真度高。设计时采用+5 V单电源供电，为获得最大的信号摆幅，其直流偏置点通常设定为供电电压的1/2，设计采用电阻分压法，即通过用阻值相等的两个电阻R8、R9组成分压网络，形成VCC/2(2.5 V)的偏置电压，作为运放工作时的虚地;C11是旁路电容，用以旁路正向输入端的交流信号，便可提高交流的电源抑制能力;C13和C14是去耦电容，其可为元器件提供一个局部的直流源，这对减小电流在板上传播浪涌尖峰作用明显［4］;C2和C6是耦合电容，R1是反馈电阻，R3是反向端输入电阻，通过改变电阻R1与R3的阻值，即可调整前级缓冲电路的信号输出幅度。

2.2 中间级混合电路设计

中间级混合电路位于前级缓冲电路及后级驱动电路之间，在音频系统中起着桥梁的作用，可将前级缓冲电路的输出信号，根据后级电路的需求，对信号作出进一步调整;此外中间级混合电路还具有一个重要的功能，便是将两路输入的音频信号，混合成一路音频信号输出，即完成两路信号的叠加。

自运算放大器问世后，就被广泛应用于各种仪器仪表、音响设备及通讯系统中，通常被用作加法器。中间级混合电路如图3所示，该电路由基本的反相加法器组成，运算放大器同样选用低噪声运放NE5532。

图3 中间级混合电路图

根据理想运算放大器两条规则［5］:“虚断”和“虚短”，输出电压计算公式为Vout=-R4(V1/R5+V2/R7);若:R4=R5=R7，则Vout=-(V1+V2)。由公式可知，混合电路的功能是将两路音频信号相加，输出信号是两个输入信号的反相求和，且可选择输入电阻和反馈电阻的阻值，来改变某一或所有输入信号在输出信号中的比例，以达到调整信号的目的。

2.3 后级驱动电路设计

驱动电路在音频系统中起着重要作用，一个设计良好的驱动电路，将为负载提供足够的信号功率，且要保持较低噪声和失真。功率放大器是驱动放大电路的核心，其性能影响着整个系统的技术指标，设计中选用LM4871功放芯片，其是一款桥式音频功率放大器。主要特性如下:(1)工作电压范围宽为2.0～5.5 V;(2)输出功率(THD+N＜10%)为2.5 W(4 Ω负载);(3)掉电模式漏电流为0.6 μA(典型);(4)高电平ShutDown;(5)外部增益可调。

LM4871的应用电路简单，只需少数外围器件，后级驱动电路如图4所示。LM4871选用SOP封装，适用于大音量、小体重的便携系统中;并可通过控制进入休眠模式，从而减少功耗;其内部具有过热自动关断保护机制，工作稳定。通过配置外围电阻R12可调整放大器的电压增益;调整R15可变电阻阻值来控制喇叭音量;控制S1开关可直接关闭或打开喇叭。功率放大器输出无需外接耦合电容或自举电容及缓冲网络，便于应用、节省系统成本，同时还可提高系统可靠性。

图4 后级驱动电路图

3 系统的PCB设计

在音频系统设计中，PCB是一个完整产品的缩影，是用以支撑电路元件，并提供电路元器件之间电气连接的重要组件。PCB设计完成后，其核心电路的骚扰和抗扰特性就可基本确定，良好的PCB设计必须在充分发挥每个互联器件性能优势的同时，避免或尽量降低各部分电路之间的相互干扰。

3.1 PCB布局

任何PCB设计的第一步均是选择每个元件的PCB摆放位置，良好的PCB布局可减少信号互连、地线划分、噪音耦合以及电路板的占用面积。对于音频电路，接地正确与否对于是否能够达到音频系统的性能要求至关重要，不合理地线布局将导致地环路干扰、公共阻抗干扰、电磁耦合干扰等。PCB接地大致可分为以下3种方式:单点接地、多点接地和混合接地［6］。一个有着良好平面的PCB，不但可降低共模电流产生的压降，同时也是减小环路的重要手段。

串联单点接地容易产生公共阻抗耦合问题，解决的方法是采用并联单点接地，但是并联单点接地通常由于地线过多，可实现性较差。灵活的方案是，按照系统的组成框图，将电路划分为3个功能单元组，一组内的电路采用串联单点接地，不同组的电路采用并联单点接地。按照电路信号流向及最大功率器件应尽量靠近电源入口处等原则对其进行PCB布局，可将电路及其各部分相互干扰和因电源、地线引起的干扰降低最低。

3.2 PCB布线

在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，系统性能指标与PCB布线关系密切。布线时，输入输出端布线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线，以免发生反馈藕合，按照信号流向布线，避免形成环路［7］;地线设计应遵循上述布局中给出的串、并联单点混合接地原则进行布线;电源线设计应根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，以此来减少环路电阻;此外电源线、地线的走向和数据传递的方向需一致，这有助于增强系统抗噪声的能力。

4 系统测试及结果分析

系统负载喇叭为8 Ω、1 W，以下均为负载下测试。利用信号发生器分别产生两种不同幅度及频率正弦波，作为两个声道源分别从两个不同声道口输入到该音频系统中，进行如下两组测试:(1)双声道独立作用下的系统响应。(2)双声道混合作用下的系统响应。通过示波器观察，可得如图5和图6所示的系统输入及输出波形对比图。

由图5所示，CH1是系统输入，CH2是系统输出。双声道独立作用下，声道一幅值100 mV、频率1 kHz的正弦波输入，输出幅度约3 V频率不变的正弦波，且无毛刺、不失真;声道二幅值1 V、频率10 kHz的正弦波输入，输出同为幅度约3 V频率不变的正弦波，且无毛刺、不失真;图6所示，CH1、CH2是系统输入，测试时保持与独立作用时相同，且同时从各自声道口输入，CH3是系统输出。由图6可知，系统输出峰峰值约6 V，且无毛刺、不失真，符合两路信号叠加原理。测试结果表明，两声道源可独立或同时输入到该系统，且互不串扰、声音响亮、噪声低、无失真，取得了较好的音频性能。

5 结束语

文中采用运算放大器及功率放大器等集成电路，设计实现了双声道输入单声道输出的音频系统。详细论述了该系统设计过程，通过测试表明，该系统声音响亮、噪声低、无失真等特点，具有较好的音频性能。该系统解决方案成本低、易实现、设计简单，可为两路及多路音频合成提供设计参考，具有较好的应用前景及实用价值。

［1］康华光.电子技术基础模拟部分［M］.4版.北京:高等教育出版社，1998.

［2］罗胜钦.网络综合原理［M］.上海:同济大学出版社，2005.

［3］LAKER K R，SCHAUMAN R，GHAUSI M S.Multiple-loop feedback topologies for the design of low sensitivity active filters［J］.IEEE Transaction Circuits System，1979(7):11-22.

［4］郑军奇.EMC电磁兼容设计与测试案例分析［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［5］邱关源.电路［M］.4版.北京:高等教育出版社，2004.

［6］MARK I.电磁兼容的印制电路板设计［M］.2版.吕英华，译.北京:械工业出版社，2008.

［7］郑诗卫.印制电路板排版设计［M］.北京:科学技术文献出版社，1983.