CN204836546U - 集成式音频信号播放器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种集成式音频信号播放器，包括音频处理器、音频功率放大器、运算放大器组件、最高电平选择器和电平转换器，所述音频功率放大器和运算放大器的输出端均连接到所述扬声器；所述音频处理器输出两组音频信号，第一音频信号为听筒模式音频信号，第二音频信号为扬声器模式音频信号，所述音频处理器具有两个I/O端口，其中第一端口连接到所述运算放大器组件的控制端，用于控制运算放大器组件的通断；第二端口连接到所述音频功率放大器的控制端，用于控制音频功率放大器的通断。本实用新型使用可调增益的运算放大器组件代替直通式的模拟开关，可实现音频信号的多增益可控传输，且大幅度减小了占用***的空间，有更好的一致性、稳定性和可靠性。

Description

集成式音频信号播放器

技术领域

本实用新型涉及一种集成式音频信号播放器，用于以智能手机为代表的智能终端领域。

背景技术

当前智能机快速发展，各个手机厂商的竞争也越来越激烈。为了使产品更有竞争力，如何更大程度地有效利用手机空间，如何更有效的在保证质量的前提下降低产品成本，是各个手机设计研发公司不断追求的目标。

一般来说，手机的听筒和扬声器是两套不同的通路***，其结构示意图如图1所示，在工作过程中，基带通过听筒的输出端EARP和EARN来控制听筒的输出，另外通过音频输出端Audio_P和Audio_N输出到外部的音频功率放大器Audio_PA，并通过该音频功率放大器Audio_PA来驱动扬声器，实现音频信号的输出。从图中可以看出，在该***中，由于手机的听筒和扬声器是两套独立的通路，这样不但会占用比较紧张的***空间，同时也提高了设计的成本。

随着技术的发展，听筒和扬声器两个***的二合一方案被实用新型出来，并被逐渐推广使用，结构示意图如图2所示，在工作过程中，基带通过GPIO端口GPIO_0和GPIO_1分别控制模拟开关以及音频功率放大器的启动和关断，且二者在同一时间只能选择一个开启，即当选择音频功率放大器工作的时候，实现音频在扬声器的播放功能；当选择模拟开关导通的时候，实现听筒功能。但是，由于音频功率放大器一般会选择效率比较高的D类音频功率放大器，其输出端AOUP、AOUN为占空比随着音频信号幅度变化的PWM波形，一般高电平可以达到3.2V～6.5V左右。而模拟开关的电源VDD2一般是由电池直接供电，电压范围一般是在3.2V～4.35V之间变化。模拟开关内部电路如图3所示，第一控制信号EN_SW经过电平转换器LevelShift实现电压从VL到VDD2的转换，其中，VL是基带的PMIC(PowerManagementIC，电源管理集成电路)产生的电源，一般是在1.8V～2.8V之间。当第一控制信号EN_SW经过电平转换器LevelShift后产生的第二控制信号PDB为高电平VDD2时，模拟开关关闭。

当模拟开关关闭的时候，MOS管P3的各个端口的波形如图4所示。图中MOS管P5和N1器件为音频处理器内部和端口INP相连的内部电路，其中二极管D4和D3分别为MOS管P5和N1的寄生二极管。当模拟开关关断时，MOS管P5和N1一般都是为关断状态，则INP端为高阻态。MOS管P3的栅极电压控制电压为VDD2，当OUP端的输出电平VDD3≤VDD2+Vth时(其中，Vth为P1的导通阈值)，P3管可以完全关断。OUP端的电压变化，对INP端没有影响。寄生二极管D4不会有反灌电流，由于OUP到INP的通路被完全隔绝，所以OUP端的电平对音频处理器内部电路没有影响。但是当VDD3＞VDD2+Vth时，虽然模拟开关的栅极控制电压为VDD2，MOS管P3依然处于导通状态。输出端OUP的电平可以直接传输到INP端。由于电源VDD1的电平一般为1.8V～2.8V，当OUP输出高电平VDD3时，由于VDD3的值远大于VDD1和寄生二极管D4的导通阈值，即：VDD3>>VDD1+Vth_D4。所以，VDD3会通过MOS管P3在D4端产生很高的电流，反灌到电源VDD1端。D4的反灌电流如图5所示。反灌电流的存在，很容易导致音频处理器内部器件的损坏。

同时，音频处理器内部和INP相连的器件，一般都是低压器件，关态击穿电压点一般会比较低。当OUP端的高电平传递到音频处理器内部时，同样会有导致不可恢复的N1被击穿损坏的风险。

另外，由于反灌电流的存在，OUP端在高电平输出时，电压被迅速拉低，导致输出波形的变形、失真，极度恶化了音频信号的品质。同样，由于VDD1在瞬间被灌入电流，极易导致VDD1的电压状态的紊乱，进而导致整个***的工作异常。

对于传统的分立器件的二合一方案，当音频功率放大器中有输出升压功能的时候，会导致较大的反灌电流；而当音频功率放大器输出没有升压功能的时候，也由于外部的分立的模拟开关模块，而占据***面积，并且会带来信号传输增益损耗、稳定性及一致性较差等多种问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为解决目前传统的听筒和扬声器二合一的音频信号播放器存在反灌电流，导致器件击穿，输出波形变形、失真，极度恶化音频信号的品质，使整个***的工作异常，且占据***面积，导致信号传输增益损耗、稳定差性及一致性差的技术问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供一种集成式音频信号播放器，包括：音频处理器、音频控制器和扬声器；

所述音频控制器包括音频功率放大器、运算放大器组件、最高电平选择器和电平转换器，所述音频功率放大器用于扬声器模式音频信号的放大，所述运算放大器组件用于听筒模式音频信号的放大，所述音频功率放大器和运算放大器的输出端均连接到所述扬声器；

所述音频处理器输出两组音频信号，第一音频信号为听筒模式音频信号，所述第一音频信号连接到所述运算放大器组件输入端；第二音频信号为扬声器模式音频信号，所述第二音频信号连接到所述音频功率放大器输入端；

所述音频处理器具有两个I/O端口，其中第一端口连接到所述运算放大器组件的控制端，用于控制运算放大器组件的通断；第二端口连接到所述音频功率放大器的控制端，用于控制音频功率放大器的通断；所述第一端口还连接到所述电平转换器输入端；

所述最高电平选择器用于从所述音频功率放大器的电源电平、所述扬声器的正输入电平和所述扬声器的负输入电平中选出最大电平，即所述最高电平选择器输出所述最大电平，所述最大电平供给所述运算放大器组件和所述电平转换器；

所述电平转换器用于将所述第一端口输出的电平转换到所述最大电平，即所述电平转换器输出所述最大电平，所述最大电平供给所述运算放大器组件。

进一步地，所述运算放大器组件包括运算放大器及所述运算放大器的晶体管输入电路，所述晶体管输入电路包括正端晶体管输入电路和负端晶体管输入电路；所述正端晶体管输入电路并联于所述运算放大器的正输入端和负输出端之间，所述负端晶体管输入电路并联于所述运算放大器的负输入端和正输出端之间；所述晶体管输入电路中包括晶体管。

进一步地，所述晶体管输入电路中的晶体管为PMOS管，所述最高电平选择器输出的最大电平施加于所述PMOS管的源极。

进一步地，所述音频处理器的第一端口连接到所述运算放大器的控制端；所述音频处理器的第二端口连接到所述音频功率放大器的控制端；所述电平转换器输出的最大电平施加于所述PMOS管的栅极。

进一步地，在所述PMOS管的源极和漏极之间并联有寄生二极管，寄生二极管的正端连接到PMOS管的漏极。

进一步地，当所述第一端口为低电平时，所述运算放大器通路开通，且所述晶体管输入电路导通，当所述第一端口为高电平时，所述运算放大器通路关断，且所述晶体管输入电路截止；当所述第二端口为低电平时，所述音频功率放大器通路关断，当所述第二端口为高电平时，所述音频功率放大器通路开通。

进一步地，所述第一音频信号的正端连接到所述运算放大器的正输入端，所述第一音频信号的负端连接到所述运算放大器的负输入端；所述运算放大器的正输出端连接到所述扬声器的正输入端，所述运算放大器的负输出端连接到所述扬声器的负输入端。

进一步地，所述第二音频信号的正端连接到所述音频功率放大器的正输入端，所述第二音频信号的负端连接到所述音频功率放大器的负输入端；所述音频功率放大器的正输出端连接到所述扬声器的正输入端，所述音频功率放大器的负输出端连接到所述扬声器的负输入端。

进一步地，所述晶体管输入电路由所述晶体管与可调电阻串联而成。

进一步地，还在所述晶体管输入电路之前串联有电阻。

本实用新型使用可调增益的运算放大器组件代替直通式的模拟开关，可实现音频信号的多增益可控传输；兼容了音频功率放大器升压/不升压两种工作模式，在应用上有更大的适应性；杜绝了音频功率放大器升压后，高电平损坏音频处理器内部器件的现象；大幅度减小了占用***的空间；有更好的一致性、稳定性和可靠性。

附图说明

图1为传统的手机的听筒和扬声器是两套不同的通路***的音频信号播放器结构示意图；

图2为传统的听筒和扬声器二合一的音频信号播放器结构示意图；

图3为图2中所示的模拟电子开关的内部电路图；

图4为图2中所示的模拟电子开关关闭时，MOS管P3的各个端口的波形图；

图5为图2中所示的模拟电子开关关闭时，音频处理器中D4的反灌电流图；

图6为本实用新型实施例集成式音频信号播放器的结构图；

图7为本实用新型电路原理图；

图8为本实用新型控制信号波形图。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成，且其不应理解为对本实用新型的限制。

如图6所示，本实用新型实施例的集成式音频信号播放器，包括音频处理器、音频控制器和扬声器；其中音频控制器包括音频功率放大器、运算放大器组件、最高电平选择器和电平转换器，音频功率放大器用于扬声器模式音频信号的放大，运算放大器组件用于听筒模式音频信号的放大，音频功率放大器和运算放大器的输出端均连接到扬声器；

音频处理器输出两组音频信号，第一音频信号为听筒模式音频信号，听筒模式音频信号连接到运算放大器组件输入端；第二音频信号为扬声器模式音频信号，扬声器模式音频信号连接到音频功率放大器输入端；

音频处理器具有两个I/O端口，其中第一端口I/O1连接到运算放大器组件的控制端，用于控制运算放大器组件的通断；第二端口I/O2连接到音频功率放大器的控制端，用于控制音频功率放大器的通断；第一端口I/O1还连接到电平转换器输入端；

最高电平选择器用于从音频功率放大器的电源电平VBAT、扬声器的正输入电平和扬声器的负输入电平中选出最大电平，即最高电平选择器输出最大电平，此最大电平供给运算放大器组件和电平转换器；

电平转换器用于将第一端口I/O1输出的电平转换到上述最大电平，即电平转换器输出上述最大电平，此最大电平供给运算放大器组件。

具体地，如图7所示，运算放大器组件包括运算放大器及运算放大器的晶体管输入电路，晶体管输入电路包括正端晶体管输入电路和负端晶体管输入电路；正端晶体管输入电路并联于运算放大器的正输入端IP1和负输出端OUTN之间，负端晶体管输入电路并联于运算放大器的负输入端IN1和正输出端OUTP之间；晶体管输入电路中包括PMOS晶体管P1和P2,最高电平选择器从VBAT、OUTP和OUTN选出最大电平VH施加于PMOS管P1和P2的源极。

音频处理器的第一端口GPIO_0连接到运算放大器的控制端PD_amp；音频处理器的第二端口GPIO_1连接到音频功率放大器的控制端EN_AP；音频处理器的第一端口GPIO_0还连接到电平转换器LevelShift的输入端，音频功率放大器的电源电平VBAT和最高电平选择器输出的最大电平VH连接到LevelShift的两个电平输入端，LevelShift的输出端分别连接到PMOS管P1和P2的栅极PD。

在PMOS管P1的源极和漏极之间并联有寄生二极管D2，寄生二极管D2的正端连接到PMOS管P1的漏极；在PMOS管P2的源极和漏极之间并联有寄生二极管D3，寄生二极管D3的正端连接到PMOS管P2的漏极。

第一音频信号的正端EARP连接到运算放大器的正输入端IP1，第一音频信号的负端EARN连接到运算放大器的负输入端IN1；运算放大器的正输出端OUTP连接到扬声器的正输入端，运算放大器的负输出端OUTN连接到扬声器的负输入端。

第二音频信号的正端Auido_P连接到音频功率放大器的正输入端AIP，第二音频信号的负端Auido_N连接到音频功率放大器的负输入端AIN；音频功率放大器的正输出端OUTP连接到扬声器的正输入端，音频功率放大器的负输出端OUTN连接到扬声器的负输入端。

正端晶体管输入电路由PMOS管P2和可调电阻Rf2串联而成，负端晶体管输入电路由PMOS管P1和可调电阻Rf1串联而成。

还在正端晶体管输入电路之前串联有电阻Rin2，在负端晶体管输入电路之前串联有电阻Rin1。

由于VH是三个电平中的最高电平，当音频功率放大器有升压过程的时候，VH和升压后的较高电平值相同；当音频功率放大器没有升压过程的时候，VH和电源电压VBAT相等。

所以，在P1、P2关断的时候，无论音频功率放大器如何设计，都不会存在P1、P2弱导通的情况，避免了电流反灌现象的出现，同时保护了音频处理器中的器件不被损坏。

图7中的运算放大器，可以是包括AB类运算放大器在内的各种高性能的放大器，通过调节Rf1，Rf2和Rin1，Rin2的比例，可以实现对IN1，IP1的比例放大，相对于模拟开关单一的直通传输功能，有着更大的调整和应用设计空间。本实用新型用于手机时，当输入BB(BaseBand，基带)的音频输出端口比较紧缺的时候，可以把AIP与IP1；AIN与IN1在芯片外部相连，这样便可以实现一对输入信号分别输出到听筒和喇叭端，既节省了BB的输出管脚，又不会影响音频信号的性能，大大提高了应用的灵活度。

对于音频功率放大器的控制信号EN_AP，以及运算放大器组件的控制信号PD的逻辑关系，如图8所示，当EN_AP为高电平VDD2的时候，打开音频功率放大器通路，为低电平0的时候则关闭此通路；当PD为低电平0的时候，运算放大器组件的晶体管输入电路导通，为高电平VH的时候，运算放大器组件的晶体管输入电路截止。另外，运算放大器组件的运算放大器的通断由音频处理器的第一端口GPIO_0控制运算放大器的控制端PD_amp实现，当GPIO_0输出为低电平时，运算放大器通路开通，当GPIO_0输出为高电平时，运算放大器通路关断。

工作时，当音频处理器的第一端口GPIO_0输出为低电平时，与GPIO_0连接的PD_amp为低电平，运算放大器通路开通，且与GPIO_0连接的电平转换器LevelShift输出最大电平VH，VH施加到PMOS管P1和P2的栅极PD，使两个PMOS管的漏、源极导通，则晶体管输入电路导通，可以调节运算放大器的增益，当GPIO_0输出为高电平时，与GPIO_0连接的PD_amp为高电平，运算放大器通路关断，且晶体管输入电路截止；当音频处理器的第二端口GPIO_1输出为低电平时，与GPIO_1连接的EN_AP为低电平0，音频功率放大器通路关断，当音频处理器的第二端口GPIO_1输出为高电平时，与GPIO_1连接的EN_AP为高电平VDD2，音频功率放大器通路开通。通过芯片内部的逻辑处理，保证运算放大器通路和音频功率放大器通路两者在任意时刻，只能有一路导通。

本实用新型以上实施例使用可调增益的运算放大器组件代替直通式的模拟开关，可实现音频信号的多增益可控传输；兼容了音频功率放大器升压/不升压两种工作模式，在应用上有更大的适应性；杜绝了音频功率放大器升压后，高电平损坏音频处理器内部器件的现象；大幅度减小了占用***的空间；有更好的一致性、稳定性和可靠性。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.集成式音频信号播放器，其特征在于，包括音频处理器、音频控制器和扬声器；

所述音频控制器包括音频功率放大器、运算放大器组件、最高电平选择器和电平转换器，所述音频功率放大器用于扬声器模式音频信号的放大，所述运算放大器组件用于听筒模式音频信号的放大，所述音频功率放大器和运算放大器的输出端均连接到所述扬声器；

所述音频处理器输出两组音频信号，第一音频信号为听筒模式音频信号，所述第一音频信号连接到所述运算放大器组件输入端；第二音频信号为扬声器模式音频信号，所述第二音频信号连接到所述音频功率放大器输入端；

所述音频处理器具有两个I/O端口，其中第一端口连接到所述运算放大器组件的控制端，用于控制运算放大器组件的通断；第二端口连接到所述音频功率放大器的控制端，用于控制音频功率放大器的通断；所述第一端口还连接到所述电平转换器输入端；

所述最高电平选择器用于从所述音频功率放大器的电源电平、所述扬声器的正输入电平和所述扬声器的负输入电平中选出最大电平，即所述最高电平选择器输出所述最大电平，所述最大电平供给所述运算放大器组件和所述电平转换器；

所述电平转换器用于将所述第一端口输出的电平转换到所述最大电平，即所述电平转换器输出所述最大电平，所述最大电平供给所述运算放大器组件。

2.根据权利要求1所述的集成式音频信号播放器，其特征在于，所述运算放大器组件包括运算放大器及所述运算放大器的晶体管输入电路，所述晶体管输入电路包括正端晶体管输入电路和负端晶体管输入电路；所述正端晶体管输入电路并联于所述运算放大器的正输入端和负输出端之间，所述负端晶体管输入电路并联于所述运算放大器的负输入端和正输出端之间；所述晶体管输入电路中包括晶体管。

3.根据权利要求2所述的集成式音频信号播放器，其特征在于，所述晶体管输入电路中的晶体管为PMOS管，所述最高电平选择器输出的最大电平施加于所述PMOS管的源极。

4.根据权利要求3所述的集成式音频信号播放器，其特征在于，所述音频处理器的第一端口连接到所述运算放大器的控制端；所述音频处理器的第二端口连接到所述音频功率放大器的控制端；所述电平转换器输出的最大电平施加于所述PMOS管的栅极。

5.根据权利要求3或4所述的集成式音频信号播放器，其特征在于，在所述PMOS管的源极和漏极之间并联有寄生二极管，寄生二极管的正端连接到PMOS管的漏极。

6.根据权利要求5所述的集成式音频信号播放器，其特征在于，当所述第一端口为低电平时，所述运算放大器通路开通，且所述晶体管输入电路导通，当所述第一端口为高电平时，所述运算放大器通路关断，且所述晶体管输入电路截止；当所述第二端口为低电平时，所述音频功率放大器通路关断，当所述第二端口为高电平时，所述音频功率放大器通路开通。

7.根据权利要求2所述的集成式音频信号播放器，其特征在于，所述第一音频信号的正端连接到所述运算放大器的正输入端，所述第一音频信号的负端连接到所述运算放大器的负输入端；所述运算放大器的正输出端连接到所述扬声器的正输入端，所述运算放大器的负输出端连接到所述扬声器的负输入端。

8.根据权利要求2所述的集成式音频信号播放器，其特征在于，所述第二音频信号的正端连接到所述音频功率放大器的正输入端，所述第二音频信号的负端连接到所述音频功率放大器的负输入端；所述音频功率放大器的正输出端连接到所述扬声器的正输入端，所述音频功率放大器的负输出端连接到所述扬声器的负输入端。

9.根据权利要求2或3所述的集成式音频信号播放器，其特征在于，所述晶体管输入电路由所述晶体管与可调电阻串联而成。

10.根据权利要求9所述的集成式音频信号播放器，其特征在于，还在所述晶体管输入电路之前串联有电阻。