改善便攜產(chǎn)品音質(zhì)的措施
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
設(shè)計(jì)音頻電路所面臨的主要挑戰(zhàn)是制造高性能、低噪聲的模擬電路，與ASIC、處理器和DC-DC轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作。在典型的音頻播放器中需要考慮一個關(guān)鍵部件，即耳機(jī)驅(qū)動器。
筆記本電腦的耳機(jī)輸出必須能夠驅(qū)動一個低阻負(fù)載(典型值為32W，有時(shí)僅為16W)，信號擺幅達(dá)1Vrms，并保持一定的動態(tài)范圍。從表面上看很容易實(shí)現(xiàn)這些要求，但具體實(shí)施時(shí)存在以下問題：
● 耳機(jī)輸出必須在單電源供電條件下保持應(yīng)有的動態(tài)范圍，電源通常由DC-DC轉(zhuǎn)換器提供或是與其它高速數(shù)字電路共用一個電源。
● 在實(shí)際應(yīng)用中，對于給定的信號幅度和負(fù)載阻抗，電源峰值電流能夠達(dá)到90mA。
● 當(dāng)關(guān)斷電源或耳機(jī)驅(qū)動器時(shí)，聽不到瞬間的“喀嗒”聲。
電源噪聲
為了保證合理的信噪比，必須抑制電源在耳機(jī)放大器輸出端產(chǎn)生的噪聲，因此，對于耳機(jī)驅(qū)動器來說電源抑制比(PSRR)是一個關(guān)鍵參數(shù)。例如，基于CD或DVD產(chǎn)品的動態(tài)范圍能夠達(dá)到90dB，假如有100mV的噪聲疊加在音頻電源電壓上，而且絕大部分噪聲頻譜位于音頻頻帶以內(nèi)，為保持90dB的動態(tài)范圍、耳機(jī)驅(qū)動器的輸出噪聲必須將低至30mV以內(nèi)。這樣，耳機(jī)驅(qū)動器的PSRR必須在感興趣的頻帶內(nèi)高于70dB。為在音頻范圍內(nèi)達(dá)到如此高的電源抑制比，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)，特別是放大器對電源噪聲的抑制能力。大多數(shù)運(yùn)算放大器在直流附近具有非常高的PSRR，但隨著頻率的升高，PSRR會急劇下降(通常為-20dB每十倍頻程)，許多運(yùn)算放大器的PSRR在20kHz頻點(diǎn)處已經(jīng)跌落到40dB以下。
有些DC-DC轉(zhuǎn)換器在音頻頻譜的高頻端存在較強(qiáng)的噪聲，雖然人耳幾乎聽不到這個頻段的噪聲，但可以測試到它們在耳機(jī)輸出端產(chǎn)生的噪聲。許多音頻DAC(或CODEC)帶有耳機(jī)驅(qū)動器，但設(shè)計(jì)人員很少留意其PSRR指標(biāo)，而且，這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊也很少給出PSRR隨頻率的變化曲線。如果耳機(jī)放大器缺乏足夠的PSRR，可以采用一個外部低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)為耳機(jī)放大器提供一個低噪聲電源。音頻電路中比較通用的供電電源是+5V，采用LDO能夠獲得足夠的電源抑制比，但使某些節(jié)點(diǎn)處的電壓可能跌至4.7V左右。
MAX4298/MAX4299(具有超高PSRR的立體聲驅(qū)動器)內(nèi)部帶有一路次級穩(wěn)壓電路，該次級穩(wěn)壓電路僅作用在一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處，大大提高了電路的PSRR，其PSRR在1kHz頻點(diǎn)處仍保持在100dB以上，而且不需要額外的線性穩(wěn)壓器(圖1)。
抑制“喀嗒”/砰然聲
對于“喀嗒”/砰然聲的抑制表明了器件對于突發(fā)性干擾的抑制能力，這種響聲常常出現(xiàn)在把IC置于靜音或上電(或關(guān)斷)的瞬間，如果輸出驅(qū)動器的后面沒有接其它電路，要屏蔽或完全抑制這種響聲很困難，因?yàn)椴迦攵鷻C(jī)時(shí)將不可避免地瞬間接通或斷開其音頻驅(qū)動電路。耳機(jī)驅(qū)動器通常由單電源供電，輸出端需要通過一個大電容交流耦合到插槽(圖2)，這種結(jié)構(gòu)可避免直流電壓作用到耳機(jī)上，防止損壞耳機(jī)驅(qū)動單元。工作過程中，耦合電容兩端存在一定的電壓，電容在靠近耳機(jī)一側(cè)的電位是地電位，放大器輸出偏置在電源擺幅的中點(diǎn)附近。上電時(shí)，電容將充電至工作電壓此時(shí)將有電流流過負(fù)載(耳機(jī)線圈)，需采用一定的措施避免該電流產(chǎn)生的音頻干擾。
可以在放大器輸出端用J型場效應(yīng)管、配合其它分離元件抑制充電電流，也可以提供一個RC電路、利用時(shí)間常數(shù)減緩瞬間導(dǎo)通時(shí)間、從而降低干擾信號的頻率，減弱刺耳的高頻噪聲。電路中還需要引入一個背靠背的指數(shù)放大器(S函數(shù))抑制上電過程中引起的“砰然”聲，它與RC指數(shù)函數(shù)不同，沒有較陡的dv/dt。斷電時(shí)可能存在更多的問題，需要在沒有電源的情況下控制輸出電容的放電，一種方法是為耳機(jī)放大器提供一個待機(jī)電源，該電源由一個儲能電容充當(dāng)，待機(jī)電源在主電源斷電時(shí)為放大器提供足夠的能量，以保證系統(tǒng)緩慢地被關(guān)斷。圖1電路是綜合了上述技術(shù)的一個完整方案，它在上電、斷電過程的輸出波形如圖3所示。MAX4298僅需很少的外部元件即可得到較好的上電/斷電瞬態(tài)特性。MAX4298有一個SVCC引腳，主電源供電時(shí)，通過該引腳的外部肖特基二極管為儲能電容充電，去掉主電源后，MAX4298的工作過程如下：
● 音頻電路置于靜音。
● 立體聲放大器轉(zhuǎn)入低靜態(tài)電流模式，從SVCC引腳獲得能量。
● 輸出偏置電壓緩慢地、線性下降至地電位。
● 儲能電容完全放電，由于輸出電壓已為0，當(dāng)SVCC電源最終降至0V時(shí)，對應(yīng)的輸出瞬間干擾可以忽略。
上述方案比較復(fù)雜，有些方案無需輸出電容，從根本上消除了由于電容充放電產(chǎn)生的干擾，例如采用直流耦合耳機(jī)驅(qū)動器，將輸出偏置到0V，利用雙電源供電等措施。大多數(shù)電池供電產(chǎn)品受單電源供電的制約，設(shè)計(jì)人員可以通過產(chǎn)生一路負(fù)電壓(圖4)，使耳機(jī)放大器的直流偏置為0V，額外的電源電壓還能使輸出擺幅幾乎提高一倍，這對于+3V、甚至供電電壓更低的系統(tǒng)非常有利。MAX4410耳機(jī)放大器由芯片內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)電源電壓，由于放大器的直流輸出偏置為0V、不再需要輸出電容。內(nèi)部鎖存輸出電路可避免電源電壓過低、或上電/斷電期間電路產(chǎn)生的偽操作，因而也不會出現(xiàn)“喀嗒”聲或砰然聲。放大器的輸出電壓擺幅比其它單電源供電方案幾乎提高了一倍，提高了耳機(jī)驅(qū)動電路的動態(tài)范圍、并可提供更高的輸出功率。
產(chǎn)品投放市場之前還需根據(jù)性價(jià)比要求做出許多折衷處理，如是否在耳機(jī)驅(qū)動器與插槽之間加鐵氧體磁珠或采取其它EMC措施，這些元件在音頻頻段阻抗較高，會產(chǎn)生串?dāng)_、降低輸出功率，但如果設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)、采用Kelvin檢測技術(shù)能夠獲得極佳的音質(zhì)。另外，還需特別考慮從耳機(jī)返回的電流，該電流可達(dá)100mA，地平面阻抗或PCB板引線的阻抗將產(chǎn)生較大的IR壓降，降低信噪比。同樣，如果放大器與DC-DC轉(zhuǎn)換器共用一個地平面，也會造成信噪比降低。采用單獨(dú)的回路連線或地平面對信噪比有一定的改善作用。■
圖1 MAX4298典型應(yīng)用電路
圖2單電源供電產(chǎn)品中耳機(jī)驅(qū)動器的常用配置
圖3 MAX4298應(yīng)用電路在上電、斷電過程的輸出波形
圖4 利用內(nèi)部電荷泵產(chǎn)生負(fù)電源電壓、放大器采用雙電源供電，省去了輸出交流耦合電容
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