《電子技術(shù)應(yīng)用》
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消除音頻輸出端的喀嗒聲方法
摘要: 喀嗒聲指惱人的音頻瞬態(tài)噪聲,在耳機(jī)放大器打開或關(guān)閉時(shí)由耳機(jī)產(chǎn)生。通過去掉傳統(tǒng)耳機(jī)放大器輸出端的隔直電容,美信公司的DirectDrive專利技術(shù)可去除喀嗒聲,同時(shí)提供更好的低頻響應(yīng)。本文先闡述DirectDrive原理,如何工作以及帶來的優(yōu)點(diǎn)。然后介紹一個(gè)在手機(jī)等便攜設(shè)備上已驗(yàn)證的去除耳機(jī)喀嗒聲的方法。
Abstract:
Key words :

喀嗒聲指惱人的音頻瞬態(tài)噪聲,在耳機(jī)放大器打開或關(guān)閉時(shí)由耳機(jī)產(chǎn)生。通過去掉傳統(tǒng)耳機(jī)放大器輸出端的隔直電容,美信公司的DirectDrive專利技術(shù)可去除喀嗒聲,同時(shí)提供更好的低頻響應(yīng)。本文先闡述DirectDrive原理,如何工作以及帶來的優(yōu)點(diǎn)。然后介紹一個(gè)在手機(jī)等便攜設(shè)備上已驗(yàn)證的去除耳機(jī)喀嗒聲的方法。


便攜音頻產(chǎn)品的差異化一直是個(gè)熱門話題。什么特點(diǎn)能讓產(chǎn)品A相比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品B更出色?通常的音頻指標(biāo)(頻響平坦度、總諧波失真加噪聲值等)都如此相似以至于難分勝負(fù)。用戶界面當(dāng)然是有明顯差異,但這往往帶有太多的主觀性。我們希望有一個(gè)客觀的音頻指標(biāo),它可以幫助產(chǎn)品脫穎而出。


耳機(jī)打開或關(guān)閉時(shí)的喀嗒聲就是一個(gè)重要且客觀的音頻指標(biāo)。隨著人們對(duì)音頻性能的期望越來越高,去瞬態(tài)噪聲處理已逐漸成為便攜音頻產(chǎn)品的一個(gè)關(guān)鍵賣點(diǎn)。


傳統(tǒng)耳機(jī)放大器


在便攜音頻系統(tǒng)中,電源管理對(duì)延長電池使用時(shí)間很重要,所以很多功能模塊在不使用時(shí)經(jīng)常被關(guān)閉。這種設(shè)計(jì)思路使得音頻喀嗒聲更容易出現(xiàn)。理想器件在打開或者關(guān)閉時(shí)沒有音頻輸出,但實(shí)際音頻放大器總是會(huì)或多或少的產(chǎn)生喀嗒聲。


大部分由電池供電的傳統(tǒng)耳機(jī)放大器都是單電源供電,它們工作在正電壓和地之間。這些放大器只能通過正信號(hào),而放大器輸入的音頻信號(hào)則有正有負(fù)。所以,放大器必須加入直流偏置才能接受音頻信號(hào)。為了獲得最大的信號(hào)擺幅,直流偏置點(diǎn)一般都設(shè)定為供電電壓的一半(圖1)。

 


圖1. DirectDrive放大器的輸出波形和傳統(tǒng)耳機(jī)放大器的輸出波形對(duì)比


雖然放大器需要直流偏置,但耳機(jī)卻只接受交流信號(hào)。將直流偏置加到耳機(jī)上,耳機(jī)動(dòng)圈會(huì)從中間位置移至最邊界。這意味著耳機(jī)輸出的聲壓將出現(xiàn)失真。同時(shí),消耗在耳機(jī)線圈的直流信號(hào)造成了能量損失和不必要的熱。在極端情況下,這些熱可能會(huì)永久性損壞耳機(jī)。


傳統(tǒng)音頻系統(tǒng)包括隔直電容,它可以阻止直流偏置進(jìn)入耳機(jī)。該電容和阻性負(fù)載組成了高通濾波器。因?yàn)閭鹘y(tǒng)耳機(jī)的等效阻抗為32Ω,隔直電容必須足夠大才不會(huì)阻止音頻通過:

 


為了讓低至20Hz的音頻通過,我們要使用至少250uF的電容。如果耳機(jī)阻抗為16Ω,那么我們將需要至少500uF的隔直電容。


某些系統(tǒng)可能有足夠空間來使用相對(duì)便宜的鋁電解電容,但大部分便攜設(shè)備無法做到。因而,我們必須使用昂貴的鉭電容,即使這樣鉭電容仍然需要相當(dāng)?shù)陌迳峡臻g。我們也可以使用較小容值的電容來節(jié)約空間和成本,但無法保證低至20Hz的平坦頻響曲線(圖2)。

 


圖2. 16Ω耳機(jī)放大器的頻響曲線


“無偏置”技術(shù)介紹


包括美信在內(nèi)的一些公司開發(fā)了不需要直流偏置的耳機(jī)放大器(該電路在美信的專利為DirectDrive,本文稱為無偏置)。雖然無偏置耳機(jī)放大器由單電源供電,它仍然能通過正、負(fù)信號(hào)。負(fù)擺幅由板載電荷泵產(chǎn)生的負(fù)電源實(shí)現(xiàn),該負(fù)電源可以跟蹤相應(yīng)正電源的幅度。這樣,放大器就成為了零偏置(圖1)。


無偏置設(shè)計(jì)中的電荷泵只需要兩個(gè)很小的外部陶瓷電容:一個(gè)飛跨電容和一個(gè)保持電容。一般,它們的容值為1uF,體積為0402(0.4×0.2mm)。因而,相比包含220uF大電容的傳統(tǒng)耳機(jī)放大器電路,無偏置設(shè)計(jì)在提供卓越性能的同時(shí)還節(jié)省了空間。

走近“喀嗒聲”


現(xiàn)在,我們從電氣角度來分析喀嗒聲。在傳統(tǒng)耳機(jī)放大器中,輸出電容在放大器打開時(shí)會(huì)充電,在關(guān)閉時(shí)會(huì)放電。因?yàn)殡娙莸碾姾蓪⒘鬟^耳機(jī),所以充、放電過程將產(chǎn)生惱人的喀嗒聲。圖3為喀嗒聲的等效電路,Vcc/2電源代表耳機(jī)放大器輸出端的直流偏置。

 


圖3. 喀嗒聲的等效電路,C1代表隔直電容,R1代表耳機(jī)負(fù)載


S1和S2不能同時(shí)打開或者關(guān)閉,它們用來模擬耳機(jī)放大器的打開和關(guān)閉:

(a) S1斷開,S2閉合:


(b) S1閉合,S2斷開: 

         

(c) S1再次斷開,S2再次閉合: 

              

 

圖4

圖4中的黃色波形描述了喀嗒聲。 圖4. 喀嗒聲的理論波形。 已驗(yàn)證方案


2008年全球生產(chǎn)了超過4億支手機(jī),很多用戶都抱怨手機(jī)的音頻質(zhì)量。為什么?因?yàn)樵O(shè)計(jì)師只有兩種選擇:


要么使用大的隔直電容來獲得較好的低頻響應(yīng),但用戶得忍受打開或關(guān)閉耳機(jī)時(shí)產(chǎn)生的喀嗒聲。要么通過使用較小的隔直電容來減小喀嗒聲,但用戶無法欣賞200Hz以下的低音。音頻工程師努力通過軟啟動(dòng)或者電容充、放電方法來解決這個(gè)難題,但效果始終不理想。


我們?yōu)槭裁床粐L試下全新的方案呢?


新一代立體聲耳機(jī)放大器MAX9724包含專利電路,它可通過單電源來產(chǎn)生零偏置音頻輸出。由于不需要大的隔直電容,此方案可節(jié)省成本、空間和器件高度。下面,我們通過一個(gè)簡單的測(cè)試來比較QSC60xx的喀嗒聲和使用DirectDrive電路后的效果(圖5)。QSC60xx是CDMA手機(jī)的主流基帶芯片,像很多其它基帶或音頻編解碼芯片一樣,它集成了耳機(jī)輸出功能。

圖5

圖5. 測(cè)試對(duì)比了兩種處理喀嗒聲的效果。左聲道是QSC60xx的原始設(shè)計(jì),右聲道是美信MAX9724耳機(jī)放大器。音頻測(cè)試信號(hào)為1kHz正弦波。


當(dāng)你插入耳機(jī),QSC60xx在沒有音頻輸入的情況下首先打開耳機(jī)放大器(圖6的黃色波形的上升沿),然后在40-50ms后給耳機(jī)放大器輸入1kHz正弦波(圖6的黃色波形的正弦波部分)。

圖6

圖6. 耳機(jī)放大器第一次打開時(shí)對(duì)比試驗(yàn)波形。紫色波形表示了圖5的耳機(jī)放大器打開時(shí)產(chǎn)生的喀嗒聲


當(dāng)QSC60xx打開耳機(jī)放大器時(shí),圖6的紫色脈沖就是惱人的喀嗒聲。如果MAX9724在喀嗒聲之前就已經(jīng)打開,那么它將放大這些喀嗒聲(即使MAX9724自身不產(chǎn)生喀嗒聲)。為了解決這個(gè)問題,我們?cè)赒SC60xx打開耳機(jī)放大器之后的20-30ms再打開MAX9724。結(jié)果,這樣就可以獲得完全沒有喀嗒聲的開機(jī)波形(圖6的綠色波形)。


這里,需要注意兩點(diǎn):


1. 當(dāng)我們打開MAX9724時(shí),它自身不產(chǎn)生喀嗒聲(詳見圖6的紅色和綠色波形)

2. 必須在喀嗒聲過后再打開MAX9724。不然,無偏置放大器會(huì)把喀嗒聲做信號(hào)放大。這就是一些設(shè)計(jì)即使使用了MAX9724,仍然聽到放大了的喀嗒聲的原因。

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