音頻雜訊和破音(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(dāng)音源上電或掉電(powering up or down)，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)生雜訊和破音。這些情況產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖通過揚(yáng)聲器負(fù)載放電，從而造成一種不良的雜訊和破音。
雜訊和破音的來源
雜訊和破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(dòng)器偏移電壓。
1. 電源瞬變
當(dāng)音頻元件的DC電源轉(zhuǎn)換開(ON)關(guān)(OFF)時(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所示的建立在V+引腳的低通濾波器(LPF)之上的一項(xiàng)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關(guān)瞬變，同時(shí)消除開關(guān)輸出端所有的注入電荷，這些電荷會(huì)導(dǎo)致負(fù)載上的雜訊和破音。
2. DC輸入瞬變
圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化布局的驅(qū)動(dòng)一個(gè)32Ω耳機(jī)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(hào)DC偏置在系統(tǒng)電源電壓的一半，允許在正負(fù)方向的完整的音頻信號(hào)擺幅。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的原理，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)雜訊和破音。
3. 音頻驅(qū)動(dòng)器DC偏置電壓
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)的應(yīng)用，因?yàn)檫@里沒有DC偏差電壓。這個(gè)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(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)。這個(gè)偏移電壓可以大到足以導(dǎo)致?lián)P聲器出現(xiàn)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源。在這一節(jié)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）聆聽環(huán)境中加載的各種前置放大器（pre-amp）、揚(yáng)聲器和耳機(jī)表現(xiàn)出來的雜訊和破音瞬變。完成這次測(cè)試的揚(yáng)聲器距離聽眾的耳朵6英寸，并有一個(gè)正常應(yīng)用的耳機(jī)戴在耳朵上。下面的結(jié)果表明，雜訊和破音是在以下共有條件下在負(fù)載上產(chǎn)生的結(jié)果：
對(duì)于一個(gè)32W耳機(jī)：
1. 脈沖轉(zhuǎn)換速率超過6.35V/s。
2. 脈沖寬度超過0.6μs。
3. 脈沖幅度超過2mV。
對(duì)于一個(gè)10kW輸入阻抗的前置放大器，設(shè)置增益為10來驅(qū)動(dòng)4W揚(yáng)聲器：
1. 脈沖轉(zhuǎn)換速率超過25V/s。
2. 脈沖寬度超過0.6μs。
3. 脈沖幅度超過10mV。
對(duì)于一個(gè)20kW輸入阻抗前置放大器，設(shè)置增益為10來驅(qū)動(dòng)8W揚(yáng)聲器：
1. 脈沖轉(zhuǎn)換速率超過20V/s。
2. 脈沖寬度超過0.6μs。
3. 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，就可以將雜訊和破音降低到聽不到的水平。Intersil公司開發(fā)了一個(gè)消除不同負(fù)載雜訊和破音的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)見表1。然而，雜訊和破音的可聽度是非常主觀的，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)消除雜訊和破音。
表1：為消除雜訊和破音推薦的條件
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負(fù)載
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增益
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脈沖轉(zhuǎn)換速率
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脈沖持續(xù)時(shí)間
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脈沖幅度
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32W耳機(jī)
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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(yáng)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(yáng)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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電源電壓
（V）
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32W耳機(jī)
（dB）
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10kW前置放大器 –
4 W揚(yáng)聲器
（dB）
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20kW前置放大器 － 8W揚(yáng)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)品線中采用了不同的技術(shù)來消除雜訊和破音。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(jié)描述了以Intersil的模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)的兩種技術(shù)。
1. 雜訊和破音分流網(wǎng)絡(luò)
單電源負(fù)信號(hào)擺幅設(shè)計(jì)能夠模擬開關(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)器與開關(guān)之間，而不是放在開關(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)開關(guān)，在音頻驅(qū)動(dòng)器開或關(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)間延遲將開關(guān)輸入放電到0V，那么該開關(guān)就可以連接到32W負(fù)載，而不出現(xiàn)雜訊和破音瞬變。
圖5：采用分流網(wǎng)絡(luò)的模擬開關(guān)
（圖字：SPDT開關(guān)，32W耳機(jī)）
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(dāng)音頻驅(qū)動(dòng)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(yáng)聲器對(duì)DC瞬態(tài)放電在開關(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)間可以在開關(guān)打開將音頻驅(qū)動(dòng)器連接到揚(yáng)聲器負(fù)載之前，將開關(guān)輸入完全放電到0V。當(dāng)開關(guān)在時(shí)間延遲之后打開時(shí)，可以看出負(fù)載上的瞬態(tài)電壓可忽略不計(jì)，從而消除了雜訊和破音。
圖6：具有雜訊和破音禁用功能的ISL54406
（圖字：音頻驅(qū)動(dòng)器DC偏壓，開關(guān)輸入波形，開關(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，開關(guān)邏輯，音頻驅(qū)動(dòng)器DC偏壓，開關(guān)輸入波形，開關(guān)輸出波形）
2. 軟啟動(dòng)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(dòng)的單電源音頻驅(qū)動(dòng)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(dòng)器仍會(huì)受雜訊和破音問題的影響，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。如果沒有一個(gè)電容來消除DC偏移電壓，在開關(guān)切換時(shí)，開關(guān)將會(huì)把偏移耦合到負(fù)載。
這個(gè)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(fù)載電壓的轉(zhuǎn)換速率（V/s）足夠慢，以不致引起雜訊和破音。當(dāng)通過調(diào)制開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間（on time）打開開關(guān)時(shí)，軟啟動(dòng)開關(guān)可以漸進(jìn)減小開關(guān)電阻。漸進(jìn)的電阻變化可以在電源開啟時(shí)在負(fù)載上建立一個(gè)時(shí)變（time varying）電壓分壓器。在負(fù)載上，表1給出的滿足的轉(zhuǎn)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)開關(guān)的ISL54405器件。一個(gè)外部軟起動(dòng)電容可用來改變開關(guān)的開啟時(shí)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(dòng)禁用功能的ISL54405器件。利用開關(guān)輸入端20mV的DC信號(hào)，開啟開關(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)開啟功能ISL54405器件。利用軟啟動(dòng)功能，現(xiàn)在開關(guān)輸出的轉(zhuǎn)換速率不到5V/s，這符合雜訊和破音消除標(biāo)準(zhǔn)，見表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(hào)，20mV偏移開關(guān)輸入，開關(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(hào)，20mV偏移開關(guān)輸入，開關(guān)輸出，ISL54405器件軟啟動(dòng)禁用，轉(zhuǎn)換速率＝1550V/μs）
圖11：具有軟啟動(dòng)開啟功能的ISL54405
（圖字：MUTE信號(hào)，20mV偏移開關(guān)輸入，開關(guān)輸出，ISL54405器件軟啟動(dòng)開啟，轉(zhuǎn)換速率＝3.5V/μs）
結(jié)論
雜訊和破音會(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(biāo)準(zhǔn)。集成了雜訊和破音消除功能的Intersil模擬開關(guān)的推出可以實(shí)現(xiàn)高性能的音頻信號(hào)路由，同時(shí)盡量減少電路板的空間和功耗。