手機(jī)日益普及，已成為生活中不可缺少的通訊工具。而且手機(jī)的功能已不僅僅限于通話，手機(jī)早已成為時(shí)尚潮流的標(biāo)志和音頻視頻娛樂(lè)的一個(gè)載體，MP3、FM收音機(jī)、手機(jī)電視、數(shù)碼拍照等等都逐漸成為中高端手機(jī)必不可少的功能。尤其是音樂(lè)手機(jī)的推出對(duì)手機(jī)的音質(zhì)提出了更高的要求。然而在手機(jī)音頻的設(shè)計(jì)中，Pop噪聲問(wèn)題一直是困擾工程師的難題之一。本文將分別闡述針對(duì)手機(jī)的揚(yáng)聲器和立體聲耳機(jī)Pop噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，并介紹意法半導(dǎo)體針對(duì)這些問(wèn)題提出的解決方法。
Pop 噪聲
手機(jī)用音頻器件大部分都采用單電源供電，因?yàn)檫@樣可以簡(jiǎn)化電源的設(shè)計(jì)和延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。而這時(shí)，音頻放大器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)往往會(huì)疊加上0.5倍電源電壓的直流電壓偏置。所以，在音頻輸入端需要加輸入電容（Cin）濾除音源的偏置電壓（Vbias）；在輸出端使用單端接法時(shí)，也需要輸出電容（Cout）濾掉這個(gè)偏置電壓，避免它在揚(yáng)聲器兩端產(chǎn)生額外功耗。另外，還需要一個(gè)偏置電容（Cbias）來(lái)穩(wěn)定偏置電壓，同時(shí)提高音頻功放的電壓抑制比。
Pop噪聲是指音頻放大器在上電、斷電瞬間以及在待機(jī)切換時(shí)，電源對(duì)輸入電容，偏置電容或輸出隔直電容充電所產(chǎn)
生的爆破聲。對(duì)電容的瞬時(shí)充電往往在輸出端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓，此電壓加在揚(yáng)聲器兩端，如圖1所示，生成電流并切割磁力線，產(chǎn)生作用力，使揚(yáng)聲器發(fā)出Pop-click噪聲。
手機(jī)揚(yáng)聲器的Pop噪聲解決方法
TS4990是意法半導(dǎo)體具有1.2W輸出能力的單聲道AB類放大器，其典型應(yīng)用原理圖如圖2所示，圖2a和圖2b分別是單端和差分接法，而輸出皆采用了BTL方式，不僅可以增大輸出功率，也取消了輸出端隔直電容。在圖中可以看到輸入電容Cin和偏置電容Cb，此時(shí)Pop噪聲的原因就是兩電容的充電順序問(wèn)題。
在放大器啟動(dòng)時(shí)，作為音頻放大器內(nèi)部偏置電壓濾波器的旁路電容Cb以一個(gè)恒定的速率線性充電，如圖3所示，在Cb兩端電壓充電到0.5倍電源電壓時(shí)放大器才開(kāi)始正常工作，這個(gè)充電時(shí)間就是音頻放大器的啟動(dòng)時(shí)間。在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，放大器輸出端無(wú)任何信號(hào)輸出。同時(shí)，輸入電容Cin也以指數(shù)的速率充電，但是其充電回路中串聯(lián)了增益電阻Rin，增益電阻往往是幾十kΩ，這樣大大延長(zhǎng)了其充電時(shí)間。如果在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，Cin完成充電，則不會(huì)有Pop噪聲問(wèn)題，但是如果Cin在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有完成充電，會(huì)產(chǎn)生Pop噪聲，如圖3中紅線所示。這是因?yàn)榕月冯娙軨b已經(jīng)完成充電，正常工作的音頻放大器把Cin充電的信號(hào)放大到放大器輸出端，產(chǎn)生了如圖1的噪聲電壓。
為了消除Pop噪聲，要選擇合適的Rin、Cin、Cb的值，確保要在Cb充電完成之前Cin已經(jīng)完成充電，也就是說(shuō)，Cin的時(shí)間常數(shù)tin應(yīng)該遠(yuǎn)小于與Cb對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)時(shí)間Tb：tin<圖4分別是與Cb對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)時(shí)間和Cin時(shí)間常數(shù)最大值，可以作為選擇電容時(shí)的參考。然而，輸入電容和輸入電阻Rin構(gòu)成一個(gè)高通濾波器，通常這個(gè)頻率被設(shè)置在100Hz或者更高，一些高質(zhì)量音頻的手機(jī)為了耦合更低頻的聲音會(huì)將其限定在幾十赫茲的范圍內(nèi)。所以設(shè)計(jì)時(shí)要考慮增益和音頻信號(hào)的最低輸入頻率。截止頻率計(jì)算方法如下式所示。
如果在設(shè)計(jì)電路和選擇器件時(shí)能夠按照以上規(guī)則進(jìn)行，即使在很大增益的情況下TS4990也能達(dá)到接近于零的Pop噪聲。TS4990在和一般音頻放大器比較時(shí)顯示出優(yōu)秀的Pop噪聲抑制能力。除在外圍電路上的設(shè)計(jì)之外，還可以采用軟件的方法來(lái)消除Pop噪聲。音頻放大器一般都會(huì)有一個(gè)Standby管腳，在播放音樂(lè)或語(yǔ)音時(shí)，可以先讓音頻放大器處于Standby狀態(tài)，然后輸入音頻信號(hào)，幾十毫秒以后再打開(kāi)音頻放大器，同樣可以有效地消除Pop噪聲。
還有一點(diǎn)要說(shuō)明的是，差分輸入的音頻放大器具有很好的噪聲抑制能力，如ST的AB類音頻放大器TS4994和D類的TS4962。但在選擇差分電路的輸入電阻和輸入電容時(shí)，要分別注意兩個(gè)電阻和電容之間精度匹配的問(wèn)題。選擇時(shí)盡量使用高精度的電阻和電容，如果精度不高，也容易帶來(lái)Pop噪聲問(wèn)題。
立體聲耳機(jī)的Pop噪聲解決方法
手機(jī)中立體聲耳機(jī)每個(gè)聲道負(fù)載阻抗約32Ω，輸出功率較小，因此，針對(duì)耳機(jī)使用的音頻放大器輸出都采用單端方式的AB類放大器，同樣是單電源供電。TS488/9是意法半導(dǎo)體立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器，本身具有Pop噪聲的抑制電路，輸入電容、偏置電容和輸出電容三者同時(shí)存在，Pop噪聲來(lái)自兩個(gè)地方，首先是輸出電容的充電引起，其次是輸入電容和偏置電容的充電順序問(wèn)題，這和TS4990十分類似。下面重點(diǎn)介紹由于輸出電容引起的Pop噪聲問(wèn)題。
與輸出為橋式接法（BTL）的音頻放大器不同，單端接法需要添加大的隔直電容Cout來(lái)消除Vbias，否則Vbias會(huì)在耳機(jī)上產(chǎn)生直流損耗，使效率降低，甚至損壞耳機(jī)。在上電期間，放大器的輸出信號(hào)對(duì)Cout瞬間充電到Vbias；而在斷電時(shí)，電容兩端的電壓又從Vbias放電至0V，波形如圖5所示，輸出電容的瞬間充/放電就會(huì)在耳機(jī)上產(chǎn)生Pop噪聲。
同時(shí)由于Cout和負(fù)載形成一個(gè)高通濾波器（下式），Cout的大小直接決定截止頻率（fc）。為了獲得更好低音性能，一般要大于100mF。這樣大的電容使Pop噪聲愈加明顯，Pop噪聲的大小成為考核手機(jī)音質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。
為消除Cout引起的Pop噪聲，一般采用對(duì)Cout進(jìn)行預(yù)充放電的方式，用一個(gè)ST的單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)STG3155對(duì)輸出電容在初始階段進(jìn)行預(yù)充電，通過(guò)設(shè)置電阻R和電容C調(diào)節(jié)充電時(shí)間，以避免對(duì)Cout的充電信號(hào)落入音頻范圍（20kHz~20kHz）。充電完成后，再將此開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法可以有效地消除由于隔直電容帶來(lái)的Pop噪聲。
在實(shí)際使用中，由于輸出電容Cout容值較大，增加了PCB板的面積和成本，且降低了音頻信號(hào)的低頻性能。意法半導(dǎo)體不斷推出新的音頻放大器消除輸出電容。新推出的TS4909立體聲耳機(jī)放大器在TS488的基礎(chǔ)上增加了“虛地”的特性，所謂“虛地”是指輸出中間端并不是真實(shí)的地，而是0.5倍的電源電壓，這樣就不再需要輸出端的Cout濾除偏置電壓了。TS4909能夠省去兩個(gè)大容量的輸出電容，完全消除了由Cout帶來(lái)的Pop噪聲問(wèn)題，并且減小了PCB面積，降低了成本。
總結(jié)
由此可見(jiàn)，音頻放大器前端的Cin、Cb和后端的Cout都有可能成為Pop噪聲產(chǎn)生的原因，在手機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先應(yīng)該分析Pop噪聲產(chǎn)生的原因，再采取不同的方法解決。無(wú)論是手機(jī)揚(yáng)聲器還是立體聲耳機(jī)，只要選擇相應(yīng)的器件并合理配置外圍元件，Pop噪聲都能得到有效的抑制。
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