消除手機的耳機爆破音和TDMA噪聲的問題

隨著音樂手機概念的風行，手機不再是一個簡單的通話工具，人們越來越關(guān)心手機的音樂播放音效，這給手機音頻設(shè)計也帶來了越來越多的壓力。本文概述手機模擬音頻設(shè)計中經(jīng)常會遇到的耳機爆破音、TDMA噪聲產(chǎn)生的機理，并介紹通過選擇合適的耳機驅(qū)動器來解決這些問題。

　　關(guān)于耳機爆破音

　　在手機中，無論基帶芯片或應(yīng)用處理器中集成的耳機驅(qū)動器，或者分立的耳機驅(qū)動器都是單電源供電的，其用來驅(qū)動耳機的單端信號輸出電平通常介于電源電壓和GND之間，正常播放音樂時輸出的交流信號會帶有Vcc/2的偏置電壓。由于動圈耳機的直流阻抗只有16或32歐姆，為了降低耳機驅(qū)動器直接驅(qū)動動圈耳機的功耗，并減小直流偏置對耳機的損害，輸出信號有直流偏置的耳機驅(qū)動器會要求在功放和耳機之間串聯(lián)一個隔直電容。該隔直電容會和耳機阻抗形成一個高通濾波器，理想條件下該高通濾波器的3dB低頻截止頻率為1/2πRC(R為耳機的阻抗，C為隔直電容的容值)。為了改善耳機低頻音效，我們希望此高通濾波器的低頻截止頻率越低越好，但由于耳機的阻抗是固定的，為獲得更好低頻響應(yīng)唯一可以改變的就是電容容值，所以一般用于耳機輸出的隔直電容容值都很大，圖1所示為選擇不同容值的隔直電容時形成的高通濾波器頻響曲線。

圖1 采用不同容值的隔直電容時形成的高通濾波器頻響

　　由于電容的存在，當耳機驅(qū)動器第一次上電或從關(guān)斷模式喚醒時，帶有直流偏置的輸出信號加載到隔直電容上的瞬間，電容上的電壓建立過程會產(chǎn)生一個瞬時的充電電流，同樣耳機驅(qū)動器斷電時也會產(chǎn)生一個瞬時的放電電流。這是因為電容存儲的電量為：

　　Q=C×V

　　兩邊對時間t求導(dǎo)：

　　而即電容充放電產(chǎn)生的電流。圖2揭示了當耳機驅(qū)動器上電和斷電時，隔直電容充放電電流在耳機負載上產(chǎn)生的電壓瞬變，由于該電壓瞬變的頻譜很寬，落在人耳可以的聽到頻率范圍內(nèi)就形成了爆破音。

圖2 耳機驅(qū)動器上電和斷電時耳機上測到的電壓波形和頻譜

　　由于在依賴電池供電的手機等便攜式設(shè)備中，為了降低功耗，延長電池使用時間，經(jīng)常需要在不需使用耳機驅(qū)動器時將其關(guān)斷，因而爆破音將會是硬件工程師必須要面對的問題。聰明的硬件工程師們發(fā)明了許多種膠合邏輯電路來消除由于電容瞬時充放電引起的爆破音，Maxim公司還生產(chǎn)了一顆專門用來消除耳機爆破音的膠合邏輯芯片MAX9890?？紤]到隔直電容是產(chǎn)生耳機爆破音的元兇，因此從電路中去除隔直電容才是消除爆破音最根本的解決方案。

　　目前業(yè)界有兩種去除隔直電容的方案，第一種是耳機插座的公共回路不接地，而是接一個通常是耳機驅(qū)動器電源電壓一半的偏置電壓，這樣耳機驅(qū)動器輸出信號相對該偏置電壓為正負對稱的電平，不再需要隔直電容。但這種方案存在一個隱患，如果耳機插座內(nèi)插入金屬異物導(dǎo)致公共回路對地短路，可能導(dǎo)致過熱產(chǎn)生危險。

　　第二種去除隔直電容的方式是在單電源供電的耳機驅(qū)動器內(nèi)部產(chǎn)生一個負電源，該負電源通常采用內(nèi)部的反壓電荷泵產(chǎn)生，這樣的耳機驅(qū)動器實際上是采用的是的雙電源供電，其輸出信號是相對于GND正負對稱的，因此也不需要隔直電容，如圖3所示。

圖3 耳機驅(qū)動器內(nèi)部產(chǎn)生一個負電源供電，輸出波形相對GND正負對稱

　　第二種方案對改善耳機爆破音的效果可以參見圖4所示，其中，左圖為使用隔直電容且單電源供電的耳機驅(qū)動器上電瞬態(tài)過程，而右圖為內(nèi)部利用電荷泵產(chǎn)生負電源的耳機驅(qū)動器上電瞬態(tài)過程(不再需要隔直電容)，可以看出，去掉了隔直電容后耳機驅(qū)動器上電對耳機上幾乎看不到什么影響。

圖4 去掉隔直電容對耳機爆破音的改善

　　去掉隔直電容除了能夠消除爆破音，另一個好處是耳機低頻輸出也得到了很大的改善，圖5所示為一個掃頻信號經(jīng)過內(nèi)部產(chǎn)生負電源的耳機驅(qū)動器后的波形和經(jīng)過隔直電容后的波形對比。

圖5 由上至下依次為：掃頻信號輸入，內(nèi)部產(chǎn)生負電源的耳機驅(qū)動器輸出，經(jīng)過隔直電容后的波形

　　關(guān)于耳機驅(qū)動器引起的TDMA噪聲

　　雖然業(yè)內(nèi)已有多家半導(dǎo)體公司可以提供利用電荷泵在芯片內(nèi)部產(chǎn)生負電源，輸出不需要隔直電容的耳機驅(qū)動器。但GSM手機硬件工程師在選擇耳機驅(qū)動器時還需要多注意一個問題，那就是TDMA噪聲。

　　由于目前的手機外形越來越小巧，PCB板面積被大大壓縮，在有限的板面積上有時還會集成藍牙，GPS，Wi-Fi等密集的射頻器件，GSM天線很有可能受到PCB的布局限制比較靠近耳機驅(qū)動器。

　　GSM的射頻PA工作時產(chǎn)生的217Hz Burst會通過天線耦合到耳機驅(qū)動器內(nèi)部，而217Hz的射頻Burst包絡(luò)被耳機驅(qū)動器內(nèi)部電路解調(diào)后，在耳機驅(qū)動器輸出就形成了所謂的TDMA噪聲。

　　耳機驅(qū)動器內(nèi)部電路的不同設(shè)計導(dǎo)致其對射頻Burst的抗解調(diào)能力不同，圖6所示為Maxim公司一款內(nèi)部產(chǎn)生負電壓的耳機驅(qū)動器MAX9724和業(yè)界一款同類耳機驅(qū)動器的對射頻信號的抗解調(diào)能力對比，從圖中可以看出，在850M/900M/1800M/1900M四個GSM頻段，MAX9724的抗射頻解調(diào)能力分別提高62dB/37dB/67dB/49dB。選用抗射頻解調(diào)能力強的耳機驅(qū)動器除了能夠降低TDMA噪聲, 另外還會給PCB的射頻和音頻布局帶來非常大的靈活性。

圖6 Maxim公司的耳機驅(qū)動器MAX9724極大提升了抗射頻解調(diào)能力