音頻雜音(click and pop)是揚(yáng)聲器或耳機(jī)產(chǎn)生的不良噪聲。它是由注入揚(yáng)聲器線圈的瞬態(tài)電流脈沖引起的，該電流瞬間移動(dòng)進(jìn)出揚(yáng)聲器紙盆就造成了雜音。雜音可能會(huì)使人的耳朵感到不舒服和厭煩。當(dāng)音源上電或掉電，或當(dāng)音頻信號(hào)減弱或被不同負(fù)載復(fù)用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生雜音。這些情況產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖通過(guò)揚(yáng)聲器負(fù)載放電，從而引起令人討厭的雜音。為延長(zhǎng)電池壽命，筆記本電腦、手機(jī)、MP3 播放器等便攜式媒體設(shè)備采用了節(jié)能設(shè)置(如待機(jī)、休眠模式等)，同時(shí)集成了USB 或多個(gè)音源開(kāi)關(guān)，雜音瞬變正變得日益突出。本文介紹了雜音瞬變是如何產(chǎn)生和測(cè)量的。給出了對(duì)雜音的客觀和主觀描述。提出了一項(xiàng)旨在減少瞬
變出現(xiàn)以消除雜音的指導(dǎo)原則。還對(duì)不同的雜音消除技術(shù)與某些設(shè)計(jì)中最新Intersil 器件的性能進(jìn)行了比較。
雜音的來(lái)源
雜音瞬變的一些常見(jiàn)原因是：電源瞬變、DC 輸入瞬變、音頻驅(qū)動(dòng)器偏置電壓。
1.電源瞬變
當(dāng)音頻元件的DC 電源轉(zhuǎn)換開(kāi)(ON)關(guān)(OFF)時(shí)，由于變化的電源電壓轉(zhuǎn)換速率(slew rate)的緣故，揚(yáng)聲器或耳機(jī)的電壓可能出現(xiàn)反跳(bounce)。盡管電源旁路(by-pass)電容有助于減少一個(gè)元件電源引腳上的噪聲尖峰，如圖1 所示，將低通濾波器(LPF)構(gòu)建在V+引腳之上的技術(shù)可以進(jìn)一步減少電源引腳的瞬變。在IC 的Vbattery 電源引腳和V+引腳之間放上一個(gè)串聯(lián)電阻RSeries，就構(gòu)成了一個(gè)帶有去耦電容Cin 的低通濾波器(LPF)。由于Intersil 的音頻開(kāi)關(guān)IC 消耗的電源電流≤10μA，這個(gè)解決方案很有效，在大小適當(dāng)時(shí)，可以使串聯(lián)電阻兩端的電壓降忽略不計(jì)。這個(gè)LPF 可將DC 電壓的快轉(zhuǎn)換速率瞬變轉(zhuǎn)換成IC 電源引腳上較慢的指數(shù)斜率。較慢的斜坡電壓可以最大限度地減少電源的開(kāi)關(guān)瞬變，同時(shí)消除開(kāi)關(guān)輸出端所有的注入電荷，這些電荷會(huì)導(dǎo)致負(fù)載上的雜音。
圖1：電源輸入濾波器
2.DC輸入瞬變
圖2：?jiǎn)坞娫匆纛l放大器驅(qū)動(dòng)器的AC耦合負(fù)載。
圖2顯示了驅(qū)動(dòng)一個(gè)32Ω耳機(jī)的單電源音頻放大器的簡(jiǎn)化布局，它廣泛用于許多便攜式媒體播放器。音頻放大器輸出信號(hào)被DC偏置為系統(tǒng)電源電壓的一半，從而允許完整的音頻信號(hào)在正負(fù)方向擺動(dòng)。220μF隔直流(DC blocking)電容可消除耳機(jī)負(fù)載的DC偏置。220μF電容和32Ω負(fù)載阻抗構(gòu)成了一個(gè)有22Hz轉(zhuǎn)角頻率的高通濾波器(HPF)，可覆蓋整個(gè)音頻帶寬。
圖3：來(lái)自DC輸入瞬變的雜音瞬變。
圖3顯示了隨著音頻放大器的上電和掉電在耳機(jī)上出現(xiàn)的瞬態(tài)電壓波形。當(dāng)音頻放大器在DC偏置上電(退出休眠模式)或掉電(進(jìn)入休眠模式)時(shí)，由于電容器的dv/dt原理，電容的VLoad節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)瞬間電壓變化。由于負(fù)載存在一個(gè)對(duì)地的DC路徑，使電容放電回到0V。負(fù)載兩端突然的DC電壓變化可導(dǎo)致?lián)P聲器紙盆隨瞬態(tài)脈沖電流運(yùn)動(dòng)，而出現(xiàn)雜音。
3. 音頻驅(qū)動(dòng)器DC偏置電壓
圖4：有DC耦合負(fù)載的音頻放大器。
圖4顯示了一個(gè)不需要隔直流電容的音頻驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)應(yīng)用，因?yàn)檫@里沒(méi)有DC偏置電壓。該應(yīng)用通常使用有負(fù)擺幅能力的雙電源音頻驅(qū)動(dòng)器或單電源音頻驅(qū)動(dòng)器。音頻驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)算放大器(op-amp)可以具有范圍在±10mV至±20mV的DC偏置電壓。由于沒(méi)有使用隔直流電容，當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，這個(gè)偏置電壓直接與揚(yáng)聲器負(fù)載耦合(或在關(guān)閉時(shí)去耦)。該偏移電壓可以大到足以使揚(yáng)聲器出現(xiàn)雜音。
什么是雜音
到目前為止，重點(diǎn)一直是在雜音的來(lái)源。本節(jié)將給出雜音瞬變的波形。描述了在一個(gè)正常(典型、環(huán)境)收聽(tīng)環(huán)境中加載的各種前置放大器(pre-amp)、揚(yáng)聲器和耳機(jī)出現(xiàn)的雜音瞬變。完成這次測(cè)試的揚(yáng)聲器距離聽(tīng)眾的耳朵6英寸，并將一個(gè)常規(guī)應(yīng)用中的耳機(jī)戴在耳朵上。下面的結(jié)果表明，雜音是在下列共同條件下在負(fù)載上產(chǎn)生的結(jié)果。
對(duì)于一個(gè)32Ω耳機(jī)：脈沖轉(zhuǎn)換速率超過(guò)6.35V/s；脈沖寬度超過(guò)0.6μs；脈沖幅度超過(guò)2mV。
對(duì)于一個(gè)10kΩ輸入阻抗的前置放大器，設(shè)置增益為10來(lái)驅(qū)動(dòng)4Ω揚(yáng)聲器：脈沖轉(zhuǎn)換速率超過(guò)25V/s；脈沖寬度超過(guò)0.6μs；脈沖幅度超過(guò)10mV。
對(duì)于一個(gè)20kΩ輸入阻抗前置放大器，設(shè)置增益為10來(lái)驅(qū)動(dòng)8Ω揚(yáng)聲器：脈沖轉(zhuǎn)換速率超過(guò)20V/s；脈沖寬度超過(guò)0.6μs；脈沖幅度超過(guò)10mV。
通過(guò)將瞬態(tài)脈沖的轉(zhuǎn)換速率、寬度或幅度減少到低于上述閾值，就可以將雜音降低到聽(tīng)不到的水平。Intersil公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)消除不同負(fù)載雜音的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。不過(guò)，雜音的可聽(tīng)度是非常主觀的，它取決于這樣一些因素，如：揚(yáng)聲器的靈敏度、耳朵敏感性，以及聆聽(tīng)環(huán)境的環(huán)境噪聲量。因此，表1只作為一項(xiàng)準(zhǔn)則，并不代表可以絕對(duì)消除雜音。
重要的是，應(yīng)注意在脈沖持續(xù)時(shí)間超過(guò)大約10ms時(shí)，“嘶嘶聲”和“破音”會(huì)出現(xiàn)在每一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)換上(即上升或下降)。對(duì)于0.6μs到10ms范圍的瞬態(tài)脈沖寬度，“嘶嘶聲”和“破音”的出現(xiàn)非常接近，以致聲音的出現(xiàn)被認(rèn)為是同時(shí)的。如表1所示，脈沖幅度的減小必須消除雜音，表示為dB并基于50％音頻放大器電源電壓偏置的瞬態(tài)脈沖幅度，如下面的表2所示。
減少雜音的技術(shù)
Intersil公司在Switch/MUX產(chǎn)品線中采用了不同的技術(shù)來(lái)消除雜音。選擇使用哪種技術(shù)是由一個(gè)必要的隔直流電容決定的。下一節(jié)描述了用Intersil的模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的兩種技術(shù)。
1. 雜音分流網(wǎng)絡(luò)
能夠允許負(fù)信號(hào)擺幅的單電源模擬開(kāi)關(guān)，允許音頻輸入信號(hào)達(dá)到地電位以下。這種設(shè)計(jì)的一個(gè)好處是，隔直流電容可以放在音頻驅(qū)動(dòng)器與開(kāi)關(guān)之間，而不是放在開(kāi)關(guān)和負(fù)載之間。采用此配置的對(duì)地低阻抗分流電阻可以集成進(jìn)開(kāi)關(guān)，在音頻驅(qū)動(dòng)器開(kāi)或關(guān)時(shí)對(duì)隔直流電容放電。例如，當(dāng)從關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)入上電狀態(tài)時(shí)，SPDT開(kāi)關(guān)采用如圖5所示的配置。當(dāng)出現(xiàn)音頻驅(qū)動(dòng)器電源電壓時(shí)，分流電阻放電，開(kāi)關(guān)輸入節(jié)點(diǎn)回到地電位。假設(shè)一個(gè)合適的RC時(shí)間延遲將開(kāi)關(guān)輸入放電到0V，那么該開(kāi)關(guān)就可以連接到32Ω負(fù)載，而不出現(xiàn)雜音瞬變。
圖5：采用分流網(wǎng)絡(luò)的模擬開(kāi)關(guān)。
圖6顯示了具有雜音分流電路禁用功能的ISL54406的輸入和輸出波形。當(dāng)音頻驅(qū)動(dòng)器打開(kāi)，兩端的隔直流電容器上的瞬態(tài)電壓直接與開(kāi)關(guān)輸出耦合。可看到揚(yáng)聲器對(duì)DC瞬態(tài)放電在開(kāi)關(guān)輸入，從而引起雜音。
圖7中的雜音分流電路采用了ISL54406。100ms的延遲時(shí)間可以在開(kāi)關(guān)打開(kāi)將音頻驅(qū)動(dòng)器連接到揚(yáng)聲器負(fù)載之前，將開(kāi)關(guān)輸入完全放電到0V。當(dāng)開(kāi)關(guān)在時(shí)間延遲之后打開(kāi)時(shí)，可以看出負(fù)載上的瞬態(tài)電壓可忽略不計(jì)，從而消除了雜音。
圖6：具有雜音禁用功能的ISL54406。
圖7：具有雜音功能的ISL54406。
2. 軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)
在便攜式應(yīng)用中，減小尺寸是重中之重，在地電位以下擺動(dòng)的單電源音頻驅(qū)動(dòng)器可用來(lái)省去隔直流電容。不需要隔直流電容的音頻驅(qū)動(dòng)器仍會(huì)受雜音問(wèn)題的影響，因?yàn)橐纛l驅(qū)動(dòng)器運(yùn)算放大器的DC偏移電壓范圍為±10mV至±20mV。如果沒(méi)有一個(gè)電容來(lái)消除DC偏置電壓，在開(kāi)關(guān)切換時(shí)，開(kāi)關(guān)將會(huì)把偏置耦合到負(fù)載。
這個(gè)問(wèn)題的解決辦法是逐步將開(kāi)關(guān)OFF電阻提升到開(kāi)關(guān)ON電阻，使負(fù)載電壓的轉(zhuǎn)換速率(V/s)足夠慢，以不致引起雜音。當(dāng)通過(guò)調(diào)制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間(on time)打開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)，軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)可以漸進(jìn)減小開(kāi)關(guān)電阻。漸進(jìn)的電阻變化可以在電源開(kāi)啟時(shí)在負(fù)載上建立一個(gè)時(shí)變(time varying)電壓分壓器。在負(fù)載端，滿足表1給出的轉(zhuǎn)換速率可以消除由于DC偏置電壓引起的雜音。
圖8突出顯示了集成了軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的ISL54405器件。一個(gè)外部軟起動(dòng)電容可用來(lái)改變開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟時(shí)間，限制開(kāi)關(guān)輸出轉(zhuǎn)換速率。圖9和圖10顯示了具有軟啟動(dòng)禁用功能的ISL54405器件。利用開(kāi)關(guān)輸入端20mV的DC信號(hào)，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)輸出，將轉(zhuǎn)換速率提升至1000V/s以上。圖11顯示了具有軟啟動(dòng)開(kāi)啟功能ISL54405器件。利用軟啟動(dòng)功能，現(xiàn)在開(kāi)關(guān)輸出的轉(zhuǎn)換速率不到5V/s，這符合雜音消除標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。
圖8：采用軟啟動(dòng)電容器的ISL54405器件。
圖9：具有軟啟動(dòng)禁用功能的ISL54405(第一部分)。
圖10：軟啟動(dòng)與禁用功能的ISL54405(第2部分)。
圖11：具有軟啟動(dòng)開(kāi)啟功能的ISL54405
本文小結(jié)
雜音會(huì)對(duì)音頻應(yīng)用產(chǎn)生是不良影響，有一些技術(shù)可用來(lái)消除這種瞬變。如果減少了雜音瞬變的特性，就可以消除雜音，這樣就可以符合表1中給出的標(biāo)準(zhǔn)。集成了雜音消除功能的Intersil模擬開(kāi)關(guān)的推出可以實(shí)現(xiàn)高性能的音頻信號(hào)路由，同時(shí)盡可能減少占板空間和功耗。
Intersil的雜音消除器件
Intersil可提供集成了多種功能的開(kāi)關(guān)器件，包括雜音消除。以下是一些具有雜音消除電路的Intersil產(chǎn)品。
ISL54405超低失真雙SPDT復(fù)用器開(kāi)關(guān)(Mux Switch)
ISL54406音頻雜音消除器
具有雜音消除功能的ISL54210/ISL54211音頻/USB復(fù)用器開(kāi)關(guān)
ISL54000 – ISL54006 AB類音頻放大器 |
