簡(jiǎn)介
音頻雜訊和破音（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(xiàn)圈的瞬態(tài)電流脈沖引起的，該電流瞬間移動(dòng)進(jìn)出揚聲器紙盆就造成了雜訊和破音。雜訊和破音可能使人的耳朵感到不愉快和厭煩。當音源上電或掉電（powering up or down），或當音頻信號減弱或被不同負載復用時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生雜訊和破音。這些情況產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖通過(guò)揚聲器負載放電，從而造成一種不良的雜訊和破音。
為了延長(cháng)電池壽命，筆記本電腦、手機、MP3播放器等便攜式媒體設備采用了節能設置（如待機、休眠模式等），同時(shí)集成了USB或多個(gè)音源開(kāi)關(guān)，雜訊和破音瞬變正變得日益突出。本文介紹了雜訊和破音瞬變是如何產(chǎn)生和測量的。文章提出了對雜訊和破音的客觀(guān)和主觀(guān)定性。還提出了一項旨在減少瞬變出現以消除雜訊和破音的方針。文章還對不同的雜訊和破音消除技術(shù)與某些設計實(shí)例中的Intersil器件的性能進(jìn)行了比較。
雜訊和破音的來(lái)源
雜訊和破音瞬變的一些常見(jiàn)原因是：
• 電源瞬變
• DC輸入瞬變
• 音頻驅動(dòng)器偏移電壓
1. 電源瞬變
當音頻元件的DC電源轉換開(kāi)（ON）關(guān)（OFF）時(shí)，由于變化的電源電壓轉換速率（slew rate）的緣故，揚聲器或耳機的電壓可能出現反跳（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所示的建立在V+引腳的低通濾波器（LPF）之上的一項技術(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，在大小適當時(shí)，可以使串聯(lián)電阻兩端的電壓降忽略不計。這個(gè)LPF可將DC電壓的快轉換速率瞬變轉換成IC電源引腳上較慢的指數斜率。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 )導致負載上的雜訊和破音。
圖1：電源輸入濾波器
2. DC輸入瞬變
圖2：?jiǎn)坞娫匆纛l放大器驅動(dòng)器的AC耦合負載
（圖字：揚聲器）
圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化布局的驅動(dòng)一個(gè)32W耳機的單電源音頻放大器，它廣泛用于許多便攜式媒體播放器。音頻放大器的輸出信號DC偏置在系統電源電壓的一半，允許在正負方向的完整的音頻信號擺幅。220μF隔直流（DC blocking）電容可消除耳機負載的DC偏置。220μF電容和32W負載阻抗構成了一個(gè)有22Hz轉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輸入瞬變的雜訊和破音瞬變
（圖字：上電瞬變，掉電瞬變）
圖3顯示了隨著(zhù)音頻放大器的上電和掉電在耳機上出現的瞬態(tài)電壓波形。當音頻放大器在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的原理，電容的VLoad節點(diǎn)會(huì )出現一個(gè)瞬間電壓變化。由于負載存在一個(gè)對地的DC路徑，使電容放電回到0V。負載兩端突然的DC電壓變化可導致?lián)P聲器紙盆隨瞬態(tài)脈沖電流運動(dòng)，而出現雜訊和破音。
3. 音頻驅動(dòng)器DC偏置電壓
圖4：有DC耦合負載的音頻放大器
（圖字：運算放大器DC偏移，32W耳機）
圖4顯示了一個(gè)不需要隔直流電容的音頻驅動(dòng)器輸出級的應用，因為這里沒(méi)有DC偏置電壓。這個(gè)應用通常使用有負擺幅能力的雙電源音頻驅動(dòng)器或單電源音頻驅動(dòng)器。音頻驅動(dòng)器的運算放大器（op-amp）可以有范圍在±10mV至±20mV的DC偏移電壓。由于沒(méi)有使用隔直流電容，當開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，這個(gè)偏移電壓直接與揚聲器負載耦合（或在關(guān)閉時(shí)去耦）。這個(gè)偏移電壓可以大到足以導致?lián)P聲器出現雜訊或破音。
雜訊和破音的表征
到目前為止，重點(diǎn)一直是在雜訊和破音的來(lái)源。在這一節給出了雜訊和破音瞬變的波形。表征了在一個(gè)正常（典型、環(huán)境）聆聽(tīng)環(huán)境中加載的各種前置放大器（pre-amp）、揚聲器和耳機表現出來(lái)的雜訊和破音瞬變。完成這次測試的揚聲器距離聽(tīng)眾的耳朵6英寸，并有一個(gè)正常應用的耳機戴在耳朵上。下面的結果表明，雜訊和破音是在以下共有條件下在負載上產(chǎn)生的結果：
對于一個(gè)32W耳機：
1. 脈沖轉換速率超過(guò)6.35V/s。
2. 脈沖寬度超過(guò)0.6μs。
3. 脈沖幅度超過(guò)2mV。
對于一個(gè)10kW輸入阻抗的前置放大器，設置增益為10來(lái)驅動(dòng)4W揚聲器：
1. 脈沖轉換速率超過(guò)25V/s。
2. 脈沖寬度超過(guò)0.6μs。
3. 脈沖幅度超過(guò)10mV。
對于一個(gè)20kW輸入阻抗前置放大器，設置增益為10來(lái)驅動(dòng)8W揚聲器：
1. 脈沖轉換速率超過(guò)20V/s。
2. 脈沖寬度超過(guò)0.6μs。
3. 脈沖幅度超過(guò)10mV。
通過(guò)將瞬態(tài)脈沖的轉換速率、寬度或幅度減少到低于上述閾值，就可以將雜訊和破音降低到聽(tīng)不到的水平。Intersil公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)消除不同負載雜訊和破音的標準。該標準見(jiàn)表1。然而，雜訊和破音的可聽(tīng)度是非常主觀(guān)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(tīng)環(huán)境的環(huán)境噪聲量。因此，表1只作為一項準則，并不代表可以絕對消除雜訊和破音。
表1：為消除雜訊和破音推薦的條件
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負載
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增益
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脈沖轉換速率
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脈沖持續時(shí)間
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脈沖幅度
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32W耳機
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單位
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≤5V/s
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≤0.5µs
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≤1mV
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10kW前置放大器 – 4W揚聲器
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10
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≤10V/s
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≤0.5µs
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≤5mV
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20kW前置放大器–8W揚聲器
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10
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≤10V/s
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≤0.5µs
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≤5mV
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重要的是要注意，在脈沖持續時(shí)間超過(guò)大約10ms時(shí)，“雜訊”或“破音”會(huì )出現在每一個(gè)脈沖轉換（即上升或下降）。對于0.6μs到10ms范圍的瞬態(tài)脈沖寬度，“雜訊”和“破音”的出現如此接近，以致聲音的出現被認為是異口同聲。如表1所示，脈沖幅度的減少必須消除雜訊和破音，表現為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：
表2：脈沖幅度減少
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電源電壓
（V）
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32W耳機
（dB）
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10kW前置放大器 –
4 W揚聲器
（dB）
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20kW前置放大器 － 8 W揚聲器
（dB）
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1.8
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≥65.1
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≥51.1
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≥51.1
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2.5
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≥68.0
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≥54.0
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≥54.0
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3
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≥69.5
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≥55.6
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≥55.6
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5
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≥74.0
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≥60.0
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≥60.0
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Intersil減少雜訊和破音的技術(shù)
Intersil公司在Switch/MUX產(chǎn)品線(xiàn)中采用了不同的技術(shù)來(lái)消除雜訊和破音。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。下面一節描述了以Intersil的模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現的兩種技術(shù)。
1. 雜訊和破音分流網(wǎng)絡(luò )
單電源負信號擺幅設計能夠模擬開(kāi)關(guān)，允許音頻輸入信號達到地電位以下。這種設計的一個(gè)好處是，隔直流電容可以放在音頻驅動(dòng)器與開(kāi)關(guān)之間，而不是放在開(kāi)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(jìn)開(kāi)關(guān)，在音頻驅動(dòng)器開(kāi)或關(guān)時(shí)對隔直流電容放電。例如，當從關(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。當出現音頻驅動(dòng)器電源電壓時(shí)，分流電阻放電，開(kāi)關(guān)輸入節點(diǎn)回到地電位。假設一個(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32W負載，而不出現雜訊和破音瞬變。
圖5：采用分流網(wǎng)絡(luò )的模擬開(kāi)關(guān)
（圖字：SPDT開(kāi)關(guān)，32W耳機）
圖6顯示了具有雜訊和破音分流電路禁用功能的ISL54406的輸入和輸出波形。當音頻驅動(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�？煽吹綋P聲器對DC瞬態(tài)放電在開(kāi)關(guān)輸入，從而引起雜訊和破音。
圖7中的雜訊和破音分流電路采用了ISL54406。100ms的延遲時(shí)間可以在開(kāi)關(guān)打開(kāi)將音頻驅動(dòng)器連接到揚聲器負載之前，將開(kāi)關(guān)輸入完全放電到0V。當開(kāi)關(guān)在時(shí)間延遲之后打開(kāi)時(shí)，可以看出負載上的瞬態(tài)電壓可忽略不計，從而消除了雜訊和破音。
圖6：具有雜訊和破音禁用功能的ISL54406
（圖字：音頻驅動(dòng)器DC偏壓，開(kāi)關(guān)輸入波形，開(kāi)關(guān)輸出波形，ISL54406具有雜訊和破音禁用功能）
圖7：具有雜訊和破音功能的ISL54406
（圖字：ISL54406具有雜訊和破音功能，100ms延遲，開(kāi)關(guān)邏輯，音頻驅動(dòng)器DC偏壓，開(kāi)關(guān)輸入波形，開(kāi)關(guān)輸出波形）
2. 軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)
在便攜式應用中，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動(dòng)器仍會(huì )受雜訊和破音問(wèn)題的影響，因為音頻驅動(dòng)器運算放大器的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偏移電壓，在開(kāi)關(guān)切換時(shí)，開(kāi)關(guān)將會(huì )把偏移耦合到負載。
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，使負載電壓的轉換速率（V/s）足夠慢，以不致引起雜訊和破音。當通過(guò)調制開(kāi)關(guān)導通時(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)在負載上建立一個(gè)時(shí)變（time varying）電壓分壓器。在負載上，表1給出的滿(mǎn)足的轉換速率可以消除由于DC偏移電壓引起的雜訊和破音。
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，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)輸出，將轉換速率提升至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，現在開(kāi)關(guān)輸出的轉換速率不到5V/s，這符合雜訊和破音消除標準，見(jiàn)表1。
圖8：采用軟啟動(dòng)電容器的ISL54405器件
（圖字：5V電源，3V電源，軟啟動(dòng)，軟啟動(dòng)電容，雜訊和破音和邏輯控制，音頻編解碼器1，音頻編解碼器2）
圖9：具有軟啟動(dòng)禁用功能的ISL54405（第一部分）
（圖字：MUTE信號，20mV偏移開(kāi)關(guān)輸入，開(kāi)關(guān)輸出，ISL54405器件軟啟動(dòng)禁用）
圖10：軟啟動(dòng)與禁用功能的ISL54405（第2部分）
（圖字：MUTE信號，20mV偏移開(kāi)關(guān)輸入，開(kāi)關(guān)輸出，ISL54405器件軟啟動(dòng)禁用，轉換速率＝1550V/μs）
圖11：具有軟啟動(dòng)開(kāi)啟功能的ISL54405
（圖字：MUTE信號，20mV偏移開(kāi)關(guān)輸入，開(kāi)關(guān)輸出，ISL54405器件軟啟動(dòng)開(kāi)啟，轉換速率＝3.5V/μs）
結論
雜訊和破音會(huì )對音頻應用產(chǎn)生是不良影響，有一些技術(shù)可用來(lái)消除這種瞬變。如果減少了雜訊和破音瞬變的特性，就可以消除雜訊和破音，這樣就可以符合表1中給出的標準。集成了雜訊和破音消除功能的Intersil模擬開(kāi)關(guān)的推出可以實(shí)現高性能的音頻信號路由，同時(shí)盡量減少電路板的空間和功耗。 |
