【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
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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