音頻雜音(click and pop)是揚聲器或耳機產生的不良噪聲。它是由注入揚聲器線圈的瞬態電流脈沖引起的，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。當音源上電或掉電，或當音頻信號減弱或被不同負載復用時，就會產生雜音。這些情況產生的瞬態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備采用了節能設置(如待機、休眠模式等)，同時集成了USB 或多個音源開關，雜音瞬變正變得日益突出。本文介紹了雜音瞬變是如何產生和測量的。給出了對雜音的客觀和主觀描述。提出了一項旨在減少瞬
變出現以消除雜音的指導原則。還對不同的雜音消除技術與某些設計中最新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、音頻驅動器偏置電壓。
1.電源瞬變
當音頻元件的DC 電源轉換開(ON)關(OFF)時，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)構建在V+引腳之上的技術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電阻RSeries，就構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IC 消耗的電源電流≤10μA，這個解決方案很有效，在大小適當時，可以使串聯電阻兩端的電壓降忽略不計。這個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關瞬變，同時消除開關輸出端所有的注入電荷，這些電荷會導致負載上的雜音。
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動器的AC耦合負載。
圖2顯示了驅動一個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負載阻抗構成了一個有22Hz轉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的瞬態電壓波形。當音頻放大器在DC偏置上電(退出休眠模式)或掉電(進入休眠模式)時，由于電容器的dv/dt原理，電容的VLoad節點會出現一個瞬間電壓變化。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電壓變化可導致揚聲器紙盆隨瞬態脈沖電流運動，而出現雜音。
3. 音頻驅動器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動器輸出級應用，因為這里沒有DC偏置電壓。該應用通常使用有負擺幅能力的雙電源音頻驅動器或單電源音頻驅動器。音頻驅動器的運算放大器(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，當開關打開時，這個偏置電壓直接與揚聲器負載耦合(或在關閉時去耦)。該偏移電壓可以大到足以使揚聲器出現雜音。
什么是雜音
到目前為止，重點一直是在雜音的來源。本節將給出雜音瞬變的波形。描述了在一個正常(典型、環境)收聽環境中加載的各種前置放大器(pre-amp)、揚聲器和耳機出現的雜音瞬變。完成這次測試的揚聲器距離聽眾的耳朵6英寸，并將一個常規應用中的耳機戴在耳朵上。下面的結果表明，雜音是在下列共同條件下在負載上產生的結果。
對于一個32Ω耳機：脈沖轉換速率超過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，設置增益為10來驅動4Ω揚聲器：脈沖轉換速率超過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，設置增益為10來驅動8Ω揚聲器：脈沖轉換速率超過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，就可以將雜音降低到聽不到的水平。Intersil公司開發了一個消除不同負載雜音的標準。該標準見表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，以及聆聽環境的環境噪聲量。因此，表1只作為一項準則，并不代表可以絕對消除雜音。
重要的是，應注意在脈沖持續時間超過大約10ms時，“嘶嘶聲”和“破音”會出現在每一個脈沖轉換上(即上升或下降)。對于0.6μs到10ms范圍的瞬態脈沖寬度，“嘶嘶聲”和“破音”的出現非常接近，以致聲音的出現被認為是同時的。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脈沖幅度，如下面的表2所示。
減少雜音的技術
Intersil公司在Switch/MUX產品線中采用了不同的技術來消除雜音。選擇使用哪種技術是由一個必要的隔直流電容決定的。下一節描述了用Intersil的模擬開關實現的兩種技術。
1. 雜音分流網絡
能夠允許負信號擺幅的單電源模擬開關，允許音頻輸入信號達到地電位以下。這種設計的一個好處是，隔直流電容可以放在音頻驅動器與開關之間，而不是放在開關和負載之間。采用此配置的對地低阻抗分流電阻可以集成進開關，在音頻驅動器開或關時對隔直流電容放電。例如，當從關閉狀態進入上電狀態時，SPDT開關采用如圖5所示的配置。當出現音頻驅動器電源電壓時，分流電阻放電，開關輸入節點回到地電位。假設一個合適的RC時間延遲將開關輸入放電到0V，那么該開關就可以連接到32Ω負載，而不出現雜音瞬變。
圖5：采用分流網絡的模擬開關。
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。當音頻驅動器打開，兩端的隔直流電容器上的瞬態電壓直接與開關輸出耦合。可看到揚聲器對DC瞬態放電在開關輸入，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打開將音頻驅動器連接到揚聲器負載之前，將開關輸入完全放電到0V。當開關在時間延遲之后打開時，可以看出負載上的瞬態電壓可忽略不計，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
在便攜式應用中，減小尺寸是重中之重，在地電位以下擺動的單電源音頻驅動器可用來省去隔直流電容。不需要隔直流電容的音頻驅動器仍會受雜音問題的影響，因為音頻驅動器運算放大器的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，在開關切換時，開關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OFF電阻提升到開關ON電阻，使負載電壓的轉換速率(V/s)足夠慢，以不致引起雜音。當通過調制開關導通時間(on time)打開開關時，軟啟動開關可以漸進減小開關電阻。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的ISL54405器件。一個外部軟起動電容可用來改變開關的開啟時間，限制開關輸出轉換速率。圖9和圖10顯示了具有軟啟動禁用功能的ISL54405器件。利用開關輸入端20mV的DC信號，開啟開關產生一個輸出，將轉換速率提升至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，現在開關輸出的轉換速率不到5V/s，這符合雜音消除標準，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
雜音會對音頻應用產生是不良影響，有一些技術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中給出的標準。集成了雜音消除功能的Intersil模擬開關的推出可以實現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器件，包括雜音消除。以下是一些具有雜音消除電路的Intersil產品。
ISL54405超低失真雙SPDT復用器開關(Mux Switch)
ISL54406音頻雜音消除器
具有雜音消除功能的ISL54210/ISL54211音頻/USB復用器開關
ISL54000 – ISL54006 AB類音頻放大器 |
