NXP использует ЦОС, чтобы увеличить громкость в смартфонах

NXP использует ЦОС и измерение выходного тока и напряжения, чтобы добиться от телефонных динамиков средней мощности в 2,6Вт.

Продукт, получивший название TFA9887, - это одиночный чип, который должен в ближайшем будущем заменить стандартные ИС аудио-усилителей в телефонах. Динамики внутри телефонов уже являются чудом акустико-инженерной мысли, извлекая очень чистый звук из удивительно маленьких устройств. Две вещи ограничивают мощность, которую можно вложить в телефонные динамики: перегрев и нарушение допустимого уровня низких частот.

«Микродинамики обычно имеют мощность 0,5Вт», сообщил Electronics Weeklu управляющий подразделением мобильных аудиосистем NXP, Шон Скарлетт. «При превышении этого предела, производимое тепло начинает плавить клей, а резонансные колебания образуют трещины и заставляют мембрану динамиков рваться».

По словам Скарлетта, эти проблемы обычно решаются простым ограничением колебаний и фильтрованием, или использованием техники разомкнутого контура. «В общем, в процессе разработки, производители телефонов увеличивают мощность аудио до тех пор, пока не сталкиваются с проблемой надежности, и затем просто немного понижают ее», заявил он. И, чтобы предотвратить резонанс «сейчас все телефоны на рынке имеют фильтр верхних частот в пределах 1кГц».

Техника разомкнутого контура, сообщил Скарлетт, включает вычисление температуры звуковой катушки, исходя из данных о его акустическом сопротивлении, проистекающей из определения величины выходного тока и напряжения, и данных о его температурных и характеристиках сопротивления. Это позволяет ограничивать мощность, когда происходит нагрев катушки. Благодаря данным о температуре и резонансно-частотном дрейфе динамика, в дальнейшем это позволяет установить блокирующий фильтр на предполагаемую резонансную частоту – таким образом, музыка с большим содержанием басов может воспроизводиться с режекцией, предотвращая повреждение динамика от нарушения допустимого уровня частот.

Однако данный случай применения режекции требует, чтобы она была сверхширокой – достаточно широкой как для изначального производственного допуска в динамике, так и для колебаний коэффициента теплового дрейфа и износа. «Некоторые исследователи концентрируются на температуре для предсказания сдвига резонанса, но если грязь забилась в порт динамика, резонанс изменится», сказал Скарлетт. «Даже если поместить телефон в плохой чехол, который заблокирует порт динамика, то резонанс может измениться до 2кГц».

После трех лет напряженных исследований, NXP утверждает, что, исходя из выходного тока и напряжения, их ЦОС может избавить нас от игры в угадайку, вычисляя резонансную частоту в режиме онлайн, так же как и применить необходимую режекцию к диапазону звуковых частот на входе. «Выборочная ступень, встроенная в усилитель, позволяет нам узнать, что в действительности происходит в динамике», сообщил Скарлетт. «Мы рассматриваем сопротивление на всем диапазоне частот, и видим резонанс. Мы можем использовать режекцию с наименьшим диапазоном, поскольку мы на самом деле производим вычисления». По его словам, поскольку коэффициент связи дистанция/вольт значительно не разнится в динамиках, можно подсчитать движение диафрагмы динамика для вычисления, сколько может быть пропущено при режекции.

«Мы используем сопроцессор, уменьшающий размах колебаний, а не напряжение, таким образом, чтобы увидеть, когда динамик станет нелинейным», заявил Скарлетт. «С нами, вы можете добавить 6дБ по сравнению с ультрасовременными телефонами, и получить увеличение воспринимаемой громкости в два раза. И нет никаких проблем с низкими частотами – вы можете добавить 10дБ на 400гЦ».

Итак, в чем состоит практическая разница? «Например, если включить Queen – Another One Bites The Dust, мы услышим бас-гитару, что обычно не происходит на телефонах», сказал он.

NXP заявляет, что их чип будет работать с любым телефонным динамиком, предоставляя четыре динамико-ориентированных параметра, включая тепловой коэффициент катушки, сохраненных на чипе. Как и в случае со многими телефонными усилителями, с целью энергосбережения, напряжение питания выходного каскада может быть изменено в зависимости от требуемой амплитуды выходного сигнала. В этом случае, цепь питания имеет напряжение, соответствующее напряжению батареи или 5В, генерируемые встроенным конвертером постоянного тока – который может быть отключен, когда в нем нет нужды.

Преимущество использования ЦОС заключается в том, что, если напряжение батареи начинает падать, ЦОС может вычислить, когда произойдет обрезка импульсов, и включить конвертер. Благодаря контролю преобразователя и наличию данных о амплитуде колебаний динамика, возможны различные режимы эксплуатации. «Мы можем выставить максимальную громкость рингтона, затем загрузить профиль для усиления басов по максимуму, чтобы просматривать фильмы», говорит Скарлетт. «Мы предоставляем дизайнерам телефона пакет инструментов для оптимизации качества звука: например, они сами могут выставить такой параметр, как режекция, в соответствии с их требованиями. В локальных ЦОС используются шесть параметров.

«Это не просто наблюдение вольт-амперного резонанса. Мы фиксируем шесть точек, которые действительно позволяют нам взглянуть на уровень звукового давления и качество звука», заявил Скарлетт. «Если вы попробуете сделать это на внешнем ЦОС, потребуется использовать полный диапазон частот в реальном времени, а если перевести процесс на прикладной процессор, то придется задействовать абсолютно все шины». Аудио передается в ЦОС по I2S шине, а управление, включая громкость и заглушение происходит через шину I2С. При выключенном ЦОС ток в рабочей точке составляет 5мА, на пределе же при включенном ЦОС - 20мА.