这篇文章的类似版本出现在2002年1月7日的EE Times杂志上。

介绍

现在，便携式多媒体设备通常包括某种立体声音频播放电路，可能用于MP3或移动互联网应用程序。许多专门的集成电路可用于这些电路，许多使用机械电位器(锅)。本应用笔记将演示广泛使用的低功耗组件也可以同样有效。本文演示了如何在没有机械锅的情况下实现立体声音量控制。

传统机械锅设计

从历史上看，音频音量控制使用一种特殊的电位器，具有对数(有时是音频)锥度或定律(图1)。这种方法源于耳朵对声压级变化的大致对数响应。

一般来说，旋转的中点通常会产生大约20dB的音频信号衰减，衰减从中点逆时针方向(CCW)开始迅速增加。从中点时钟方向(CW)对“更大声”设置有更好的控制。

虽然这种方法在实践中效果很好，但仍有几个原因不能在小型便携式设备中使用机械锅。机械锅的空间限制和可靠性问题只是两个紧迫的问题。今天，现代设备的常见音量控制界面使用上/下按钮与某种形式的主机处理器相结合。这种设计提供了一种廉价、实用的解决方案，无需笨重的机械锅。

立体声(或组合)旋转锅也有机械跟踪问题;机械公差意味着当音量调整时，L-R跟踪会受到影响。此外，还应考虑所需的传递函数。是否需要完全衰减?或者更确切地说，应用程序可以使用增益修剪控制提供也许30dB的调整范围，但没有完全关闭的位置?也许你应该考虑一下电子锅?

数字锅的设计问题

在过去的几年里，数字锅已经成为可能，它们的性能也在不断发展(图2)。这些数字器件在数字控制下使用电阻梯形和场效应管开关，在许多领域有效地取代了机械锅。从表面上看，使用一对这样的ic似乎是立体声音量控制的合理解决方案，然而，有一些问题必须首先解决。

最常用的数字罐是有效的线性罐，也就是说，它们的电阻增量是均等加权的。在音频音量控制中，需要一个相当稳定的db / step规律，因此设计可能必须以某种方式模拟这种日志行为。现在回想一下，我们不再受到机械锅的音频锥度的限制。

还有一个后续问题。虽然数字罐步长通常设计为提供等值的电阻增量，但工艺变化的副产品是端到端总电阻在零件之间变化很大，在某些类型中可达±30%。在设计电路时必须考虑到这种电阻变化，该电路需要使用单独的数字罐在两个通道之间进行紧密匹配。

最后，过渡应该尽可能地没有故障，所以一个先造后破的雨刷安排应该被认为是强制性的。

设计的例子

下面是一些设计示例。既有增益微调设计(控制在设定的衰减范围内应用，但不提供完全衰减)，也有更传统的全CW/off CCW音量控制。这些电路思想假设V(CC)在2.7V和5V之间，低阻抗V(REF) = V(CC)/2。输入信号来自一个低阻抗电压源。

示例1

图3中的电路似乎给出了足够的结果。在MAX4252运算放大器周围使用两个max5160l(假设它们的数字输入得到适当控制)，电路应该在标称±6dB范围内提供均匀的跟踪增益或衰减。电路应在2.7V至5V的V(CC)范围内工作，并具有32个可用的增益设置。即使MAX5160L的上电复位(POR)状态也提供了大约一个单位增益设置。

这种实现的缺点是数字锅的总电阻变化为±25%。这种变化可能导致宽增益容忍，特别是在电阻的极值、通道对通道以及单元对单元的设置上。例如，假设50k欧姆电阻为±1%，则标称最大值+6dB设置可能在以下范围内变化:

Av1 = - (50.5 k欧姆+ 62.5 k欧姆)/ 49.5 k欧姆= -2.283 V / V或7.16 db

Av2 = - (49.5 k欧姆+ 37.5 k欧姆)/ 50.5 k欧姆= -1.723 V / V或4.73 db

这种左右不匹配是很容易听到的。这个电路可以通过选择或修剪支持电阻(或选择数字锅!)来更好地工作，但这在大规模生产中是不可行的。必须找到一种最小化或消除增益误差的设计方法。

示例2

图4中的电路在分频链中使用MAX5160L数字电路。除了通常的负反馈外，MAX5160L使用100k欧姆和50k欧姆电阻为MAX4252提供一些正反馈。该电路的增益可以表示为:

Av = (1 - k (n))/(k (p) - k (n))

其中K(N)为负反馈分数，K(P)为正反馈分数。对于图4中的示例，K(N) = 100k欧姆/(100k欧姆 + 50k欧姆)或2/3,K(P)是可变的。

当MAX5160L刮水器位于V(REF)端时，由于没有正反馈贡献，电路的增益为-0.5V/V。当雨刷器处于中量程时，K(P) = 0.5，此时增益为-2V/V。因此，通过使用V(REF)和中量程之间的17个位置，增益可以在±6dB范围内变化。15个未使用的位置是对可重复性的权衡，因为增益值不依赖于数字罐电阻容限，如图1所示。增益容限现在仅受±1% 100k欧姆/50k欧姆电阻和MAX5160L的INL/DNL误差(±4.6%，最大值)的限制。

有一点值得注意。当K(P)≥2/3，即正反馈分数满足或超过负反馈分数时，达到本电路的稳定极限。因此，控制MAX5160L的主处理器应该防止这种情况发生。

示例3

图5中的电路使用数字锅作为传统音量控制方法的明显替代方案。所有代码都是有效的，设置范围从0dB到完全衰减。表1显示了基于MAX5160L 32步的计算衰减。

注意衰减图是如何分布的。前15个代码的总变化小于6dB，前四个代码的总变化小于1dB。这不是特别有用。有趣的是，即使选择具有大量抽头的部件，您仍然只能在一半的代码中获得6dB的变化。

为了解决这个问题，一种方法是选择可用代码的一个子集来实现一个合理恒定的dB/步长。例如，如果只使用表1中突出显示的代码，则代码29的步长大约为3dB/步，允许11个设置。如果选择的数字锅有许多水龙头位置(256或更高)，这可以很好地工作。然而，具有这种灵活性的部件通常更昂贵。考虑到大多数的水龙头位置将不会被使用(除非，也许，当音量设置之间的插值)，它似乎更有效地尝试和利用更多的现有水龙头与不同的拓扑。

电阻长线性锅的雨刷“弯曲”的特点是一个老把戏。负载电阻通常约为线性锅电阻值的1/20。将这种方法应用于线性数字锅有两个缺点:锅的输入阻抗现在依赖于增益设置(在最大音量时最低);再一次，对端到端阻力的广泛容忍意味着L-R跟踪在任何情况下都会受到影响，除了极端情况。图6显示了这个想法。

示例4

图7的电路产生了一个传统的音量控制特性，与图5非常相似。然而，这种设计使用了一点正反馈，使步长在大部分可用范围内均匀到大约1.6dB/步。

这种设计的直接缺点是，负反馈分数(K(N))必须为0.5或更高，这种方法才能产生可用的结果(尽管0.25将是稳定性的极限)。简单地说，我们已经扔掉了大约一半的可用代码，这样电路就可以工作了。然而，剩下的17个代码全部被使用(没有图6示例中的空白)，如下面的表2所示。第三列列出了步长增量，显示了它们在大部分衰减范围内的一致性。图8显示了线性化效果，y轴上以dB为单位的增益与x轴上的抽头数对应。该数据与图6的电路比较有利，图6中突出显示的值给出了大约3dB的步长，只有11个设置。

这种拓扑结构与所示值的一个副作用是，数字锅的中量程值将有6dB升压。这通常可以在完整音频路径的增益结构中进行调整，其中一些增益移位通常是不可避免的。

示例5

图9的电路总共使用了四个MAX5160L数字锅来产生高分辨率的立体声音量控制。每个信道可能的有效码的数量大大增加，给出32 x 32或1024衰减码。同样，端到端电阻容忍度没有任何一阶效应，因为两个数字锅级之间存在缓冲。L-R跟踪仅受点对点匹配精度的限制。雨刷电阻几乎没有长期影响，因为每个雨刷看到一个高阻抗运放输入。

在1024个代码中，有些给出了重复的衰减值。例如，第一个端口为-6dB，第二个端口完全打开，因此总体上为-6dB。这与第一个锅完全打开，第二个锅在-6dB相同。此外，如果任何一个锅被设置为完全衰减，另一个锅上的任何设置都是无关的，所有这些都留下了大约348个独特的衰减设置，从0到-60dB(实际上是-59.66dB)。

为了将代码映射到衰减图，某种模拟或电子表格方法似乎是合适的。图10显示了衰减的分布，包括重复值。

图10显示了大多数代码给出的衰减值在0到-40dB之间。每个衰减值之间的增量或dB步长可以用类似于表2(图11)的方式绘制。这可以直观地显示步骤的粒度。

步骤的粒度分布非常均匀，大多数步骤的差异都在0.5dB以下，仅在-41.6dB时达到1dB，倒数第二个6dB步长在-53.6和-59.6之间。重复的代码在图形上显示为零增量图。这就产生了最严格的音频电平控制所需的控制范围和粒度。

然而，这种方法也有局限性。显然，这个电路有一个合理的控制开销，可能使用查找表来检索值，并使用某种测距算法来获得平滑的音量转换。然而，与图4中的电路不同的是，这里没有条件稳定的情况，因此任何代码组合都是可以的。更严重的是，第一和第二数字端口之间的分接电阻匹配的变化可能意味着不能保证单调性。使用代码的子集，即较粗的步骤，将是确保单调步骤的一种方法，但这将以牺牲精细步骤为代价。

理论上，虽然图9的级联电路在初步研究中似乎给出了令人印象深刻的结果，但该电路的实际实现可能存在问题。

总结

图5和图6的电路可能在大多数情况下给出了价格、复杂性和性能之间的最佳折衷。使用3线接口控制，Maxim还提供MAX5400/MAX5401和MAX5402器件。这些数字锅为那些需要更高分辨率的应用提供256个水龙头，并有一个3线协议可用于控制。