【技术大神】音频放大器SGM4895在工业智能语音设备中的应用方案

2018-02-13 世强 summer

最近天猫精灵和小AI音响相当火爆,智能语音已经成为物联网智能硬件设备的发展方向,工业设备也是越来越青睐语音的技术升级,从传统声光报警升级为智能语音播报,语音可以更清晰的传达设备状态信息,带来更好的使用体验。


那么,如何在我们设备中加入语音功能呢?


像手机一样加入耳机输出功能?此种方式需要外接有源音响等设备来实现声音的输出。设备系统复杂度变高,故障率相应也会变高,不适用于便携可移动设备。



图1 手机音频输出功能图


需要采用更行之有效的方案——设备内部电路直接输出语音信号。


设备初始方案:

首先尝试了——带有PWM输出的语音芯片直驱扬声器。电路原理图如下:


图2 PWM直接驱动电路原理图


虽然,此方案程序设计和电路设计都较为简单,功耗相对较低,但是却有致命的缺点——驱动能力不足!现场要求声音大小在110分贝以上,而采用PWM输出的语音方案最大只有90分贝左右(在实验室环境下采用声级计,在30cm处测试),最终不得不放弃这种方案。


因此我们考虑将语音芯片的语音数据以模拟信号的形式输出,采用模拟类功率放大器进行模拟信号放大,传统的模拟音频功率放大器有A类、B类和AB类;由于功耗和失真率的原因A类和B类运放已经逐渐被设计人员放弃。因此,只有AB类运放符合我们的现场应用要求。


经过一番查找,试用了一款AB类运放,使用相同的方式测量音量可达115分贝左右,符合音量要求,但是由于应用在工业场所,因此工作温度需要满足-40℃~80℃依然能够正常工作,但是我们的运放效果不太理想,在达到-30℃左右时运放已经停止工作:



图3 初始方案AB类运放-40℃的输出波形图


图中蓝色部分为最终输出,可见,在温度低于-30℃的时候运放已经停止工作。后续,运放的低温性能成为我们查找的重点。


最终优化方案:

通过在世强APP推送的资料了解到, SGMICRO 推出的高保真AB类音频放大器SGM4895。其工作温度符合工业温度范围要求的。


SGM4895的优点:

全差分功率放大器

● 可以直接采用电池供电活的更好的PSRR

● THD+N典型值仅1%(仅限SGM4895YDB8)

● 可由外部电路直接调节增益(电阻的配比)

● 支持单端或差分输入(本文中即采用单端输入,差分输入仅需要将IN2的耦合电容输入端接音频信号)

● 输入电压范围宽:2.5V~5.5V

● 工作静态电流典型值:4.75mA

● 低关断电流,典型值0.01uA(可以采用MCU 的IO口控制shutdown实现 )

● 集成热过载保护电路

● 无需输出耦合电容或自举电容(电路设计简单)

● 工作温度范围-40℃~85℃

● 提供TQFN-3×3-L型和MSOP-8型环保封装


采用相同的方法在-40℃环境下测试声音可以达到115分贝以上,满足设备需求。



图4 声级计测试SGM4895输出的扬声器分贝值


下面是我们的设备语音功能部分的电路原理图、示波器观察到的语音芯片输出的信号和喇叭端的信号波形图:


图5 语音芯片和SGM4895的电路原理图


 

图6 语音芯片输出(黄色)和喇叭(蓝色)示波器信号


方案设计心得体会:

值得注意的是,蓝色的信号才是最终喇叭输出的信号,这是因为在带有喇叭的情况下进行测试,实际的声音更饱满柔和。音量的大小可以通过图中R4/R5进行调节,阻值越大声音越大,但是要注意功率不要超过放大器的额定功率(8Ω/1.3W)。另外我们的设备采用的是单端输入的方式,这个取决于语音芯片单端输出,如果需要采用差分输入的电路如下:


图7 差分输入的电路原理图


另外,如果采用电池供电或者受电源功率限制时需要注意,建议将功率放大器的电源和MCU、语音芯片、以及其他芯片的电源分开,最好单独供电,避免喇叭发声时,功耗的骤然提升干扰到其他电路的工作。


除了电路方面的设计,还有很重要的一个方面,那就是音腔的设计。音腔设计的关键点是前腔和后腔以及前腔出音空的设计:

●前腔设计要尽量小,从而形成高频共振,使声音比较干净,前腔高度应在1.5~3.5mm之间;

●后腔设计应该尽量大,且密封,保证不会从后部漏音;

●前腔出音空的设计要控制好面积,太小声音小,太大噪音过多,一般在5%~15%左右,且尽量开在侧边,避免高频噪声产生,出音孔圆孔径、方孔孔距尽量不要小于1mm。


根据这些设计原则,我们采用3D打印的方式经过多次实验验证,圆柱形的音腔和圆柱形的直径1.5mm出音孔效果最好。最终,在30cm距离处使用分贝计测量高达120分贝,满足工业用声级范围。


另外SGM4895可以在以下领域广泛应用:

便携系统

无线手持设备

移动电话

掌上电脑

手持终端

GPS

 

技术顾问:采蘑菇的小红帽

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