【成功案例】基于国产音频功率放大器的音频电路及其采样电路的设计和优化方案
在医疗行业中，法规明确规定了医疗设备报警系统的安全可靠性，报警系统发出声音后必须回采，来判断喇叭是否正常，以确保设备出现故障后，操作人员能及时处理。笔者做过一款输液产品的研发，现将音频电路及其采样电路的设计经验分享给大家一下。
设计采用的喇叭驱动芯片是SGMICRO公司推出的一款全差分单声道音频功率放大器——SGM4995，专为便携设备和移动电话中各种严苛的应用而设计，具有以下特点：
1)工作电压范围2.5V~5.5V
2)RL=8Ω、VCC=5V、THD+N典型值1%，PO典型值为1.3W
3)工作静态电流典型值：4.75mA（VCC=5.0V，VIN=0，RL=8Ω）
4)低关断电流，典型值0.02uA
5)可由外部调节增益
6)支持单端或差分输入
7)集成先进的噼啪声抑制电路
8)集成热过载保护电路
9)无需输出耦合电容或自举电容
10)工作温度范围-40℃~85℃
11)提供TDFN-2×2-8L型环保封装
最初版基于SGM4995音频电路参考数据手册单端输入应用而设计，如图1所示，在实际原理图中，CI为1uF，RF/RI=20，表示20倍放大，/SHDN串联电阻和Bypass电容按参考值设计。Audio input是未经放大的喇叭信号，由CPU的DA引脚输出。
图1 喇叭驱动电路
音频采样电路如图2所示，MIC为麦克风，IC1为LM358通道1。电路原理是LM358通道1起放大作用，因为CPU只能输入直流信号，所以R3和R4为输入信号增加一个直流偏置，LM358通道2再做一个电压跟随，起到缓冲、隔离的作用。
图2 麦克风采样电路
但测试发现，控制喇叭的音频信号上下幅值不相等，如图3所示。麦克风采样信号（即LM358输出信号）也有所失真，如图4所示，中间那段波形失真很严重，出现了很多毛刺，导致系统没法识别哪种报警音。
图3 喇叭接口波形
图4 LM358输出波形
经分析，音频信号的上下幅值不一致，主要是由于“隔直通交”电容CI过大导致的，经反复测试，将CI换成0.1uF的电容最合适，测试波形如图5所示。
图5 音频电路优化后的波形
而关于“麦克风采样电路失真”的问题，笔者提交给了世强公司技术专家，他们专业的分析让我受益匪浅，给了以下几点意见：
1.LM358第一级用了100倍增益，而其带宽增益积只有700kHz，这样意味着电路带宽只有7kHz，而且是在7kHz就有信号衰减了的，LM358本身在高频情况下输出范围也是严重压缩的，所以这里选用LM358不太合适；
2.可以优化下放大电路的交流增益、直流增益及带宽，一个原则，尽量让放大电路的增益在Mic的拾音频率范围内，这样可以保证音频频率范围内的交流信号被放大，直流及带外噪声没有被放大；
3.建议笔者将LM358更换为低噪声、高带宽增益运放——SGM722。
SGM722是SGMICRO推出的低噪声、低功耗、低电压运算放大器。增益带宽积高达11MHz，噪声低至8.5nV/√Hz（@10kHz），支持轨到轨输入输出。其引脚和LM358完全兼容，用SGM722替代LM358，不用修改layout，能省去再次投板的费用。世强公司免费提供了这款样品供笔者测试，测试过程中，笔者对麦克风采样电路又进行了以下优化：
1.将运放供电电压换成3.3V供电，因为5V电压是由DC/DC产生，而3.3V是由LDO产生，3.3V比5V线性度好，纹波更小。
2.由于SGM722是轨到轨输入输出运放，笔者增大了运放第一级放大倍数。
优化后的测试结果，如图6所示。对比图4和图6可知：频率上基本上没有失真。幅值不一致，可能是由于采样电路级间电容所致，但电压问题基本上不影响采样结果，优化结果符合设计要求。
图6 SGM722输出波形
另外技术专家给了笔者一个mic放大参考电路，如图7所示，如果按此电路去设计，以上问题就可以完全解决。由于上述优化方案已经可以满足设计需求，如果参考图7方案设计牵涉到改版，增加了一定的成本，所以没有做进一步验证，有兴趣的伙伴可以尝试一下。
图7麦克风采集参考电路
技术顾问：风九
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jishizhong Lv9 2019-05-22学习了 -
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duanmaxie Lv8. 研究员 2019-05-12学习 -
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kaka520amy Lv8. 研究员 2019-02-26学习了，不错的资料 -
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累了 Lv7. 资深专家 2019-02-09学习了 -
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周鑫 Lv8. 研究员 2019-02-03学习学习 -
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小m Lv5 2019-01-24学习了 -
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lcch81 Lv7. 资深专家 2019-01-11很好 -
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NASA911 Lv8. 研究员 2019-01-03学习了 -
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duanmaxie Lv8. 研究员 2018-12-24不错 -
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好运常伴吾 Lv8. 研究员 2018-12-24学习了
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产品型号
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品类
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CH
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SHDN
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Vᴄᴄ(Min)(V)
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Vᴄᴄ (Max)(V)
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Vᴏs(mV)
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Iq/CH(μA、nA、mA)
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Iʙ(pA)
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GBP(MHz、kHz)
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SR(V/ms、V/μs)
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Eɴᴏɪsᴇ(nV/√Hz、μVᴘᴘ)
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Package
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SGM8545
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低功耗运算放大器
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1
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N
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2.1
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5.5
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3.5
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48μA
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0.5
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1.1MHz
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520V/ms
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27nV/√Hz
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SOT-23-5
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选型表 - SGMICRO 立即选型
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