利用有源偏置提高立體聲性能

利用有源偏置提高立體聲性能

摘要：本應(yīng)用筆記討論了消費類音頻產(chǎn)品中有源偏置和無源偏置電路的折衷選擇，并對這些電路在數(shù)字電位器和音量控制中的使用進行了對比，給出了隔離、靜音等參數(shù)。文中所提供的公式有助于設(shè)計人員評估特定情況下的折衷設(shè)計。

消費類產(chǎn)品設(shè)計人員需要時時處處考慮降低成本。使用數(shù)字電位器和音量控制IC代替機械電位器雖然提供了更廣泛的用戶接口，但為了保證最佳音質(zhì)，在使用這些新IC時仍需仔細考慮電路細節(jié)。多數(shù)情況下，這意味著要在性能參數(shù)和成本之間進行折衷。

本應(yīng)用筆記中，我們將比較用于數(shù)字電位器的有源偏置和無源偏置電路，并分析影響器件性能的可能因素。本文還為設(shè)計人員提供評估消費類產(chǎn)品設(shè)計的公式，以便正確折衷設(shè)計。

音量控制和數(shù)字電位器

以下電路介紹了本文使用的一些術(shù)語。我們將側(cè)重于單電源供電情況，因為電池或墻上適配器供電產(chǎn)品使用非常普遍。在單電源供電應(yīng)用中，所有電路均由V_DD供電，信號擺幅介于V_DD和地電位之間。出于成本和性能考慮，級間可能使用電容，也可能去掉電容。

滑動端緩沖器能夠降低通過開關(guān)陣列的電流，改善失真性能。本文探討了偏置電路對電路性能的影響。


圖1. 信號源驅(qū)動的音量控制

數(shù)字電位器(紅框部分)可以看成由邏輯電路控制的開關(guān)陣列和電阻，仿真機械電位器的滑動接觸端。 音量控制IC (藍框部分)有別于數(shù)字電位器，它還包括獲得最佳音質(zhì)所需的兩個關(guān)鍵電路：滑動端緩沖器(運算放大器)和偏置電路(V_BIAS電壓源)。

無源偏置電路

如果使用數(shù)字電位器，并需要嚴格控制成本，可以利用無源電阻分壓器產(chǎn)生偏置電壓，如圖2所示。電阻值一般等于將V_BIAS設(shè)定在V_DD和地電位的中點的數(shù)值。為降低V_BIAS交流阻抗、消除噪音，大多數(shù)計人員會增加一個旁路電容C₂。


圖2. 無源偏置電路

單聲道音量控制電路

下面，我們考察一下電路元件的選擇對音頻性能的影響。根據(jù)圖3計算偏置電路的源阻抗(有時稱作電源的“穩(wěn)定性”)。


圖3. 穩(wěn)定性與偏置網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗有關(guān)



首先考察直流情況(s = 0)，上式簡化為電阻R₁和R₂的并聯(lián)值，將該阻值帶入音量控制電路(圖4)。


圖4. 采用有限阻抗偏置網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)音量

偏置網(wǎng)絡(luò)的有限源阻抗允許將信號作用在數(shù)字電位器的L端。將滑動端調(diào)節(jié)到L端時對應(yīng)于器件的靜音狀態(tài)。與所要求的無信號輸入不同，在此可以檢測到電壓源V_IN分壓后的信號。

例如，滑動端處于L端，電位器阻值為40kΩ，并使用兩個10kΩ偏置電阻，則檢測到的輸出電壓為：



直流情況下輸出僅比滿量程(dBFS)信號降低-19dB，說明即使電位器設(shè)置為靜音，仍然存在輸出信號。

加入C₂后將對電路產(chǎn)生哪些影響? 我們先了解一下使用0.01μF電容的情況。按照公式1得到圖5所示結(jié)果。


圖5. 使用0.01μF電容時的無源偏置網(wǎng)絡(luò)

增加C₂后對于1kHz以下的信號幾乎沒有影響，20kHz頻率處僅將電阻降低至785Ω，可以得到-34dB的靜音衰減，如圖5所示。可將電容增大至10μF (或更大)以改進電路，此時，100Hz下可以得到-48dB的靜音衰減，參見圖6。這與最終要求的音量控制性能相差甚遠，甚至不能將靜音條件下的音頻指標控制在合理的范圍內(nèi)。


圖6. 使用10μF電容時的無源偏置網(wǎng)絡(luò)

其它問題

雖然我們分析的是靜音條件(滑動端位于L處)下的電路情況，顯而易見的是：有限的V_BIAS阻抗會影響所有電位器設(shè)置，其影響表現(xiàn)在接近低端時越來越不準確的衰減曲線。

如何解決該問題?

那么，如何降低阻抗，使靜音指標達到90dB甚至更好? 為了達到90dB，我們必須將阻抗控制在個位數(shù)歐姆值范圍內(nèi)。

減小R₁和R₂帶來的問題是直流電流增大，實際應(yīng)用無法接受這一結(jié)果。顯然，我們需要通過選擇C₂在頻率達到音頻頻帶之前獲得非常低的阻抗。選擇電容時，很容易發(fā)現(xiàn)無法找到滿足100Hz下95dB衰減要求的電容。對于10kΩ、10kΩ電阻和100μF大電容，對應(yīng)的衰減曲線如圖7所示。在本文后續(xù)內(nèi)容的討論中，你將會發(fā)現(xiàn)切實可行的解決方案是采用有源偏置電路。


圖7. 使用100μF電容時的無源偏置網(wǎng)絡(luò)

立體聲電路

在討論有源偏置電路之前，我們首先了解一下立體聲設(shè)計的問題。對于立體聲信號，左、右聲道共用一個無源偏置發(fā)生器，這將產(chǎn)生靜音或饋通問題，另外一個問題是串擾。串擾指信號從左(L)聲道泄漏到右(R)聲道，反之亦然。以下說明了發(fā)生串擾的原因。當在L聲道和R聲道之間共用偏置電路時，電路如圖8所示。


圖8. 無源偏置網(wǎng)絡(luò)和立體聲信號

當H端上接輸入信號時，有限的偏置阻抗會在數(shù)字電位器的L端產(chǎn)生信號電壓。而此時左、右聲道共用同一偏置電路；因此，我們將在兩個V_OUT引腳得到對應(yīng)于左聲道或者右聲道V_IN的信號。輸入通道的信號具有很差的靜音衰減或無法滿足衰減特性的影響。一個通道的信號將作為串擾或立體聲隔離損耗出現(xiàn)在另一通道。

有源偏置

能夠有效解決上述問題的方案是：提供一個非常穩(wěn)定或具有低阻的V_BIAS偏置源，典型電路如圖9所示。分壓后的V_DD通過運算放大器緩沖，該運放的閉環(huán)輸出阻抗為零點幾個歐姆。利用該電路謹慎設(shè)計，可以達到90dB的靜音抑制指標。


圖9. 運算放大器緩沖偏置電壓分壓器

測量結(jié)果

用測試板比較有源偏置和無源偏置電路的工作情況，圖10和圖11給出了基于MAX5457測試板的無源電路和有源電路的典型工作特性。無源電路由兩個1kΩ電阻和4.7μF旁路電容組成，結(jié)果是在68Hz (計算值)產(chǎn)生一個極點，并且在5V電源下的連續(xù)吸收電流為2.5mA。


圖10. 數(shù)字電位器無源偏置下的滿量程和靜音響應(yīng)


圖11. 數(shù)字電位器有源偏置下的滿量程和靜音響應(yīng)

利用同相緩沖器，有源電路可以提供很高的電阻。這種情況下，偏置網(wǎng)絡(luò)可以使用兩個100kΩ電阻，不會影響有源偏置特性曲線，連續(xù)消耗電流只有25μA。

更好的解決方案—集成!

如上所述，無源電路的性能很差，既增加了成本，也增大了尺寸。帶緩沖的電阻分壓有源電路則具有較好的工作性能，當然，該方案增加了運算放大器的開銷。那么，是否能夠獲得小尺寸并具有高性能的解決方案? 答案是肯定的，如圖12所示的音量控制IC MAX5486，在單一芯片上集成了上述功能和數(shù)字電位器。


圖12. MAX5486音量控制IC包含音頻應(yīng)用所需的V_BIAS和滑動端緩沖器

Maxim音量控制IC系列產(chǎn)品能夠直接連接微處理器、按鍵、旋轉(zhuǎn)編碼器、甚至紅外遙控器。其附加功能，如：過零同步滑動端控制，使得該系列IC非常適合音頻應(yīng)用。