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改善便携产品音质的措施

发布时间:2020-07-21 18:50:42 阅读: 来源:胶粉厂家

笔记本电脑、PDA等便携式产品的音频电路通常工作在一个极为嘈杂的环境。受电源噪声、空间有限、与数字电路共用电源/地平面等诸多因素的影响,设计人员迫切需要能够提供音乐重放、录音及其它功能的高性能模拟或混合信号电路模块。另外,用户在要求提高音频性能的同时还要求延长电池的工作寿命,这些需求是相互冲突的,如果延长电池的工作时间就需要频繁地、随时关断那些不工作的电路,这将产生一些明显的音频干扰。设计音频电路所面临的主要挑战是制造高性能、低噪声的模拟电路,与ASIC、处理器和DC-DC转换器协同工作。在典型的音频播放器中需要考虑一个关键部件,即耳机驱动器。笔记本电脑的耳机输出必须能够驱动一个低阻负载(典型值为32W,有时仅为16W),信号摆幅达1Vrms,并保持一定的动态范围。从表面上看很容易实现这些要求,但具体实施时存在以下问题:● 耳机输出必须在单电源供电条件下保持应有的动态范围,电源通常由DC-DC转换器提供或是与其它高速数字电路共用一个电源。● 在实际应用中,对于给定的信号幅度和负载阻抗,电源峰值电流能够达到90mA。● 当关断电源或耳机驱动器时,听不到瞬间的“喀嗒”声。

电源噪声为了保证合理的信噪比,必须抑制电源在耳机放大器输出端产生的噪声,因此,对于耳机驱动器来说电源抑制比(PSRR)是一个关键参数。例如,基于CD或DVD产品的动态范围能够达到90dB,假如有100mV的噪声叠加在音频电源电压上,而且绝大部分噪声频谱位于音频频带以内,为保持90dB的动态范围、耳机驱动器的输出噪声必须将低至30mV以内。这样,耳机驱动器的PSRR必须在感兴趣的频带内高于70dB。为在音频范围内达到如此高的电源抑制比,需要严谨的电路设计,特别是放大器对电源噪声的抑制能力。大多数运算放大器在直流附近具有非常高的PSRR,但随着频率的升高,PSRR会急剧下降(通常为-20dB每十倍频程),许多运算放大器的PSRR在20kHz频点处已经跌落到40dB以下。有些DC-DC转换器在音频频谱的高频端存在较强的噪声,虽然人耳几乎听不到这个频段的噪声,但可以测试到它们在耳机输出端产生的噪声。许多音频DAC(或CODEC)带有耳机驱动器,但设计人员很少留意其PSRR指标,而且,这些产品的数据手册也很少给出PSRR随频率的变化曲线。如果耳机放大器缺乏足够的PSRR,可以采用一个外部低压差线性稳压器(LDO)为耳机放大器提供一个低噪声电源。音频电路中比较通用的供电电源是+5V,采用LDO能够获得足够的电源抑制比,但使某些节点处的电压可能跌至4.7V左右。MAX4298/MAX4299(具有超高PSRR的立体声驱动器)内部带有一路次级稳压电路,该次级稳压电路仅作用在一些关键节点处,大大提高了电路的PSRR,其PSRR在1kHz频点处仍保持在100dB以上,而且不需要额外的线性稳压器(图1)。

抑制“喀嗒”/砰然声对于“喀嗒”/砰然声的抑制表明了器件对于突发性干扰的抑制能力,这种响声常常出现在把IC置于静音或上电(或关断)的瞬间,如果输出驱动器的后面没有接其它电路,要屏蔽或完全抑制这种响声很困难,因为插入耳机时将不可避免地瞬间接通或断开其音频驱动电路。耳机驱动器通常由单电源供电,输出端需要通过一个大电容交流耦合到插槽(图2),这种结构可避免直流电压作用到耳机上,防止损坏耳机驱动单元。工作过程中,耦合电容两端存在一定的电压,电容在靠近耳机一侧的电位是地电位,放大器输出偏置在电源摆幅的中点附近。上电时,电容将充电至工作电压此时将有电流流过负载(耳机线圈),需采用一定的措施避免该电流产生的音频干扰。可以在放大器输出端用J型场效应管、配合其它分离元件抑制充电电流,也可以提供一个RC电路、利用时间常数减缓瞬间导通时间、从而降低干扰信号的频率,减弱刺耳的高频噪声。电路中还需要引入一个背靠背的指数放大器(S函数)抑制上电过程中引起的“砰然”声,它与RC指数函数不同,没有较陡的dv/dt。断电时可能存在更多的问题,需要在没有电源的情况下控制输出电容的放电,一种方法是为耳机放大器提供一个待机电源,该电源由一个储能电容充当,待机电源在主电源断电时为放大器提供足够的能量,以保证系统缓慢地被关断。图1电路是综合了上述技术的一个完整方案,它在上电、断电过程的输出波形如图3所示。MAX4298仅需很少的外部元件即可得到较好的上电/断电瞬态特性。MAX4298有一个SVCC引脚,主电源供电时,通过该引脚的外部肖特基二极管为储能电容充电,去掉主电源后,MAX4298的工作过程如下:● 音频电路置于静音。● 立体声放大器转入低静态电流模式,从SVCC引脚获得能量。● 输出偏置电压缓慢地、线性下降至地电位。● 储能电容完全放电,由于输出电压已为0,当SVCC电源最终降至0V时,对应的输出瞬间干扰可以忽略。上述方案比较复杂,有些方案无需输出电容,从根本上消除了由于电容充放电产生的干扰,例如采用直流耦合耳机驱动器,将输出偏置到0V,利用双电源供电等措施。大多数电池供电产品受单电源供电的制约,设计人员可以通过产生一路负电压(图4),使耳机放大器的直流偏置为0V,额外的电源电压还能使输出摆幅几乎提高一倍,这对于+3V、甚至供电电压更低的系统非常有利。MAX4410耳机放大器由芯片内部产生负电源电压,由于放大器的直流输出偏置为0V、不再需要输出电容。内部锁存输出电路可避免电源电压过低、或上电/断电期间电路产生的伪操作,因而也不会出现“喀嗒”声或砰然声。放大器的输出电压摆幅比其它单电源供电方案几乎提高了一倍,提高了耳机驱动电路的动态范围、并可提供更高的输出功率。产品投放市场之前还需根据性价比要求做出许多折衷处理,如是否在耳机驱动器与插槽之间加铁氧体磁珠或采取其它EMC措施,这些元件在音频频段阻抗较高,会产生串扰、降低输出功率,但如果设计严谨、采用Kelvin检测技术能够获得极佳的音质。另外,还需特别考虑从耳机返回的电流,该电流可达100mA,地平面阻抗或PCB板引线的阻抗将产生较大的IR压降,降低信噪比。同样,如果放大器与DC-DC转换器共用一个地平面,也会造成信噪比降低。采用单独的回路连线或地平面对信噪比有一定的改善作用。■图1 MAX4298典型应用电路图2单电源供电产品中耳机驱动器的常用配置图3 MAX4298应用电路在上电、断电过程的输出波形图4 利用内部电荷泵产生负电源电压、放大器采用双电源供电,省去了输出交流耦合电容

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