音頻雜音(click and pop)是揚聲器或耳機產(chǎn)生的不良噪聲。它是由注入揚聲器線圈的瞬態(tài)電流脈沖引起的，該電流瞬間移動進出揚聲器紙盆就造成了雜音。雜音可能會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)音頻信號減弱或被不同負載復(fù)用時，就會產(chǎn)生雜音。這些情況產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖通過揚聲器負載放電，從而引起令人討厭的雜音。為延長電池壽命，筆記本電腦、手機、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、休眠模式等)，同時集成了USB 或多個音源開關(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)生和測量的。給出了對雜音的客觀和主觀描述。提出了一項旨在減少瞬
變出現(xiàn)以消除雜音的指導(dǎo)原則。還對不同的雜音消除技術(shù)與某些設(shè)計中最新Intersil 器件的性能進行了比較。
雜音的來源
雜音瞬變的一些常見原因是：電源瞬變、DC 輸入瞬變、音頻驅(qū)動器偏置電壓。
1.電源瞬變
當(dāng)音頻元件的DC 電源轉(zhuǎn)換開(ON)關(guān)(OFF)時，由于變化的電源電壓轉(zhuǎn)換速率(slew rate)的緣故，揚聲器或耳機的電壓可能出現(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+引腳之間放上一個串聯(lián)電阻RSeries，就構(gòu)成了一個帶有去耦電容Cin 的低通濾波器(LPF)。由于Intersil 的音頻開關(guān)IC 消耗的電源電流≤10μA，這個解決方案很有效，在大小適當(dāng)時，可以使串聯(lián)電阻兩端的電壓降忽略不計。這個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關(guān)瞬變，同時消除開關(guān)輸出端所有的注入電荷，這些電荷會導(dǎo)致負載上的雜音。
圖1：電源輸入濾波器
2.DC輸入瞬變
圖2：單電源音頻放大器驅(qū)動器的AC耦合負載。
圖2顯示了驅(qū)動一個32Ω耳機的單電源音頻放大器的簡化布局，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在正負方向擺動。220μF隔直流(DC blocking)電容可消除耳機負載的DC偏置。220μF電容和32Ω負載阻抗構(gòu)成了一個有22Hz轉(zhuǎn)角頻率的高通濾波器(HPF)，可覆蓋整個音頻帶寬。
圖3：來自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(進入休眠模式)時，由于電容器的dv/dt原理，電容的VLoad節(jié)點會出現(xiàn)一個瞬間電壓變化。由于負載存在一個對地的DC路徑，使電容放電回到0V。負載兩端突然的DC電壓變化可導(dǎo)致?lián)P聲器紙盆隨瞬態(tài)脈沖電流運動，而出現(xiàn)雜音。
3. 音頻驅(qū)動器DC偏置電壓
圖4：有DC耦合負載的音頻放大器。
圖4顯示了一個不需要隔直流電容的音頻驅(qū)動器輸出級應(yīng)用，因為這里沒有DC偏置電壓。該應(yīng)用通常使用有負擺幅能力的雙電源音頻驅(qū)動器或單電源音頻驅(qū)動器。音頻驅(qū)動器的運算放大器(op-amp)可以具有范圍在±10mV至±20mV的DC偏置電壓。由于沒有使用隔直流電容，當(dāng)開關(guān)打開時，這個偏置電壓直接與揚聲器負載耦合(或在關(guān)閉時去耦)。該偏移電壓可以大到足以使揚聲器出現(xiàn)雜音。
什么是雜音
到目前為止，重點一直是在雜音的來源。本節(jié)將給出雜音瞬變的波形。描述了在一個正常(典型、環(huán)境)收聽環(huán)境中加載的各種前置放大器(pre-amp)、揚聲器和耳機出現(xiàn)的雜音瞬變。完成這次測試的揚聲器距離聽眾的耳朵6英寸，并將一個常規(guī)應(yīng)用中的耳機戴在耳朵上。下面的結(jié)果表明，雜音是在下列共同條件下在負載上產(chǎn)生的結(jié)果。
對于一個32Ω耳機：脈沖轉(zhuǎn)換速率超過6.35V/s；脈沖寬度超過0.6μs；脈沖幅度超過2mV。
對于一個10kΩ輸入阻抗的前置放大器，設(shè)置增益為10來驅(qū)動4Ω揚聲器：脈沖轉(zhuǎn)換速率超過25V/s；脈沖寬度超過0.6μs；脈沖幅度超過10mV。
對于一個20kΩ輸入阻抗前置放大器，設(shè)置增益為10來驅(qū)動8Ω揚聲器：脈沖轉(zhuǎn)換速率超過20V/s；脈沖寬度超過0.6μs；脈沖幅度超過10mV。
通過將瞬態(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不到的水平。Intersil公司開發(fā)了一個消除不同負載雜音的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)見表1。不過，雜音的可聽度是非常主觀的，它取決于這樣一些因素，如：揚聲器的靈敏度、耳朵敏感性，以及聆聽環(huán)境的環(huán)境噪聲量。因此，表1只作為一項準(zhǔn)則，并不代表可以絕對消除雜音。
重要的是，應(yīng)注意在脈沖持續(xù)時間超過大約10ms時，“嘶嘶聲”和“破音”會出現(xiàn)在每一個脈沖轉(zhuǎn)換上(即上升或下降)。對于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)被認為是同時的。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)來消除雜音。選擇使用哪種技術(shù)是由一個必要的隔直流電容決定的。下一節(jié)描述了用Intersil的模擬開關(guān)實現(xiàn)的兩種技術(shù)。
1. 雜音分流網(wǎng)絡(luò)
能夠允許負信號擺幅的單電源模擬開關(guān)，允許音頻輸入信號達到地電位以下。這種設(shè)計的一個好處是，隔直流電容可以放在音頻驅(qū)動器與開關(guān)之間，而不是放在開關(guān)和負載之間。采用此配置的對地低阻抗分流電阻可以集成進開關(guān)，在音頻驅(qū)動器開或關(guān)時對隔直流電容放電。例如，當(dāng)從關(guān)閉狀態(tài)進入上電狀態(tài)時，SPDT開關(guān)采用如圖5所示的配置。當(dāng)出現(xiàn)音頻驅(qū)動器電源電壓時，分流電阻放電，開關(guān)輸入節(jié)點回到地電位。假設(shè)一個合適的RC時間延遲將開關(guān)輸入放電到0V，那么該開關(guān)就可以連接到32Ω負載，而不出現(xiàn)雜音瞬變。
圖5：采用分流網(wǎng)絡(luò)的模擬開關(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)動器打開，兩端的隔直流電容器上的瞬態(tài)電壓直接與開關(guān)輸出耦合。可看到揚聲器對DC瞬態(tài)放電在開關(guān)輸入，從而引起雜音。
圖7中的雜音分流電路采用了ISL54406。100ms的延遲時間可以在開關(guān)打開將音頻驅(qū)動器連接到揚聲器負載之前，將開關(guān)輸入完全放電到0V。當(dāng)開關(guān)在時間延遲之后打開時，可以看出負載上的瞬態(tài)電壓可忽略不計，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. 軟啟動開關(guān)
在便攜式應(yīng)用中，減小尺寸是重中之重，在地電位以下擺動的單電源音頻驅(qū)動器可用來省去隔直流電容。不需要隔直流電容的音頻驅(qū)動器仍會受雜音問題的影響，因為音頻驅(qū)動器運算放大器的DC偏移電壓范圍為±10mV至±20mV。如果沒有一個電容來消除DC偏置電壓，在開關(guān)切換時，開關(guān)將會把偏置耦合到負載。
這個問題的解決辦法是逐步將開關(guān)OFF電阻提升到開關(guān)ON電阻，使負載電壓的轉(zhuǎn)換速率(V/s)足夠慢，以不致引起雜音。當(dāng)通過調(diào)制開關(guān)導(dǎo)通時間(on time)打開開關(guān)時，軟啟動開關(guān)可以漸進減小開關(guān)電阻。漸進的電阻變化可以在電源開啟時在負載上建立一個時變(time varying)電壓分壓器。在負載端，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開關(guān)的ISL54405器件。一個外部軟起動電容可用來改變開關(guān)的開啟時間，限制開關(guān)輸出轉(zhuǎn)換速率。圖9和圖10顯示了具有軟啟動禁用功能的ISL54405器件。利用開關(guān)輸入端20mV的DC信號，開啟開關(guān)產(chǎn)生一個輸出，將轉(zhuǎn)換速率提升至1000V/s以上。圖11顯示了具有軟啟動開啟功能ISL54405器件。利用軟啟動功能，現(xiàn)在開關(guān)輸出的轉(zhuǎn)換速率不到5V/s，這符合雜音消除標(biāo)準(zhǔn)，見表1。
圖8：采用軟啟動電容器的ISL54405器件。
圖9：具有軟啟動禁用功能的ISL54405(第一部分)。
圖10：軟啟動與禁用功能的ISL54405(第2部分)。
圖11：具有軟啟動開啟功能的ISL54405
本文小結(jié)
雜音會對音頻應(yīng)用產(chǎn)生是不良影響，有一些技術(shù)可用來消除這種瞬變。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模擬開關(guān)的推出可以實現(xiàn)高性能的音頻信號路由，同時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)用器開關(guān)
ISL54000 – ISL54006 AB類音頻放大器 |
