如何降低音頻功率放大器瞬時(shí)雜音

　　圖1及圖2是描述典型的雜音噪聲的捕獲圖。此處使用了德州儀器 (TI) 的評(píng)估板 (EVM)，其負(fù)載為4W，電源電壓為 12V。注意輸出去耦電容之前及之后輸出軌跡的形狀，尖波 (sharp transient) 都是一樣的。另外，注意軌跡2的直流電平在慢慢上升至中間軌 (midrail) 之前，在40~50毫秒間降至0V。圖2展示了器件從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)的更多詳細(xì)資料，但是沒有表明直流電壓到達(dá)適當(dāng)偏置水平所需的時(shí)間。

　　輸入偏置是如何導(dǎo)致瞬時(shí)雜音的？
　　無論電源電壓是多少，TPA1517 在輸入階段的直流偏壓額定值為 2.1 V。將 TPA1517 置于待機(jī)模式時(shí)，輸入偏壓會(huì)下降，下降幅度經(jīng)常是幾百毫伏或更大。當(dāng)設(shè)備返回工作狀態(tài)時(shí)，輸入偏壓會(huì)迅速回到其額定值 2.1 V。待機(jī)時(shí)的輸入偏壓與 2.1 V 之間的差距越大，返回工作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)雜音就越大。圖 3 形象地描述了在 12 V、4W 的系統(tǒng)中的輸入雜音。軌跡 1 是“STANDBY”引腳上的電壓。軌跡 2 是輸出去耦電容（直流耦合）在負(fù)載方面的電壓。

　　輸出偏置是如何導(dǎo)致瞬時(shí)雜音的？
　　TPA1517 輸出階段的額定直流偏壓為 VCC/2。這樣設(shè)置后，輸出信號(hào)就能在正向與負(fù)向上都有較高的輸出幅度，而不會(huì)發(fā)生一邊被另一邊限幅的情況。與 TI 其他許多音頻功率放大器不同，TPA1517 置于待機(jī)模式時(shí)，輸出并不接地，而是處于直流中間軌的位置。但是，從待機(jī)到工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中，輸出會(huì)在直流電壓上表現(xiàn)出短暫但是明顯的瞬時(shí)升高。這些電壓突增 (spike)（其大小可能會(huì)達(dá)到幾伏特）傳到揚(yáng)聲器上，產(chǎn)生極大的瞬時(shí)雜音。發(fā)生這種情況的原因是電壓的變化太快，以至于直流阻擋電容器無法辨認(rèn)出這是直流電發(fā)生的變化，因此允許信號(hào)通過。
　　圖4是捕獲圖，描述了 12 V、4W 的系統(tǒng)中由輸出偏壓引起的瞬時(shí)雜音。注意軌跡2及3上有近5V的大幅電壓突增。

　　降低瞬時(shí)雜音
　　瞬時(shí)雜音是由 TPA1517 輸入與輸出階段的直流偏壓?jiǎn)栴}引起的。為了盡可能地降低雜音，有必要找出一個(gè)能夠解決輸入與輸出偏置問題的解決方案。這基本上相當(dāng)于兩個(gè)單獨(dú)的解決方案，因?yàn)槿魏我粋€(gè)解決方案都可以單獨(dú)使用。

　　輸入階段靜噪
　　直流輸入偏置問題造成的雜音問題并不如輸出偏置那么大，但是相比之下它更復(fù)雜，因此這里先討論輸入偏置問題。
　　因?yàn)檩斎胫绷髌珘寒a(chǎn)生的雜音是由于設(shè)備進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)輸入直流偏壓明顯降低引起的，因此很明顯的一個(gè)解決方案是在設(shè)備處于任何狀態(tài)時(shí)都強(qiáng)制輸入保持在 2.1 V 。
　　這個(gè)解決方案并不像第一眼看起來的那么簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)單地在輸入電路中加入一個(gè)電阻分壓器，以便從電源上獲得 2.1 V 的偏壓，這并不是一個(gè)好的解決方案。雖然它提供了所需的恒定直流偏壓，但是它也要求在輸入電容器的設(shè)備端上永久地安裝兩個(gè)電阻，其影響是大大地削弱輸入信號(hào)。
　　我們需要這樣一種解決方案：當(dāng)設(shè)備處于待機(jī)模式時(shí)，由一個(gè)外接源對(duì)輸入施加偏壓，但當(dāng)設(shè)備處于正常工作狀態(tài)時(shí)，這個(gè)外接源就會(huì)被斷開。為了達(dá)到這個(gè)目的，必須與電阻分壓器（其大小應(yīng)適合電源電壓）配合使用一系列開關(guān)。第一個(gè)開關(guān)與“STANDBY”引腳相連接，起逆變器的作用。第二個(gè)開關(guān)負(fù)責(zé)連接或斷開“INPUT”引腳與電阻分壓器形成的2.1V電壓。

　　TPA1517 的輸入偏置電流相對(duì)較大，因此有必要在電阻分壓器中使用阻抗值較小的電阻。這樣能將輸入偏置電流對(duì)分壓器產(chǎn)生的2.1V電壓的影響減到最小。使用串聯(lián)總值超過10kΩ的電阻是不明智的，因?yàn)檩斎肫秒娏鲿?huì)大到足以顯著地改變分壓器電壓。但是，電阻值過低也會(huì)導(dǎo)致通過電阻的電流很高，這會(huì)產(chǎn)生不必要的熱量。例如，如果R1是1 kΩ，它會(huì)消耗大約100 mW的功率，R2會(huì)消耗大約25mW的功率，分壓器電流是 9.84mA。如果R1電阻值從1kΩ降低到100Ω，12 V 下的分壓器電流會(huì)從 9.84 mA 躍升至 98.4 mA。這意味著 R1 與 R2 將分別消耗約為 1W 及 1/4 W 的功率！參看表1，以獲取輸入電壓分壓器的建議電阻值。在選擇電阻時(shí)，要注意選擇具有適當(dāng)額定功率的電阻。

　　輸出階段靜噪
　　輸出瞬時(shí)值對(duì)雜音的影響是非常大的。如圖2所示，輸出階段是形成最大電壓突增的原因，而這與耳朵所能聽見的雜音直接相關(guān)。
　　對(duì)輸出階段引起的雜音的解決方案是當(dāng)設(shè)備進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)，快速地（但不是即刻地）將輸出接地，然后當(dāng)設(shè)備返回工作模式時(shí)，允許輸出值返回中間軌。
　　如果有意地將輸出接地，那么當(dāng)設(shè)備開始返回工作模式時(shí)，輸出值就不會(huì)波動(dòng)。輸出值返回適當(dāng)?shù)乃?，并僅在輸出開關(guān)關(guān)掉時(shí)方能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器（晶體管 Q2 與 Q3 是輸出開關(guān)，參見 圖 5）。

　　輸入輸出靜噪一起考慮
　　輸入與輸出周圍都必須有適當(dāng)?shù)碾娐?，以獲得最佳的雜音解決方案。另外，由于 TPA1517 是立體聲放大器，因此雜音抑制電路必須經(jīng)過改造，以便用最少的元件數(shù)量在兩個(gè)聲道上都能起作用。要達(dá)到這個(gè)目的，可以只使用一個(gè)逆變器來驅(qū)動(dòng)左右兩邊的輸入開關(guān)以及左右兩邊的輸出開關(guān)。
　　圖 5 是有關(guān)一個(gè)全面的立體聲解決方案的詳細(xì)圖解。圖 5 中描述的電路使用雙極管，它一般比 FET 要便宜。如果更偏好 FET，圖 6 描述了一個(gè)類似的電路。“待機(jī)控制”應(yīng)當(dāng)拉到最低檔，這可以確保 VBE 的變化不會(huì)意外地激活電路。

　　音頻性能
　　本文所介紹的 TPA1517 瞬時(shí)雜音解決方案并不會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的總諧波失真與噪聲之和 (THD + N)。圖 7 與圖 8 分別包含了用 TPA1517 EVM 進(jìn)行的兩次 THD + N 掃描結(jié)果。圖 7 是一次 THD + N 掃描與輸出功率掃描的對(duì)比，而圖 8 是一次 THD + N 掃描與頻率掃描的對(duì)比。圖 8 中更低頻率下更高的失真度是由輸入電容與輸入電阻形成的高通濾波器造成的。

　　上電及斷電瞬時(shí)雜音的降低
　　本應(yīng)用所介紹的雜音降低方案也可用于減輕上電斷電定序的影響。
　　在正常工作時(shí)，TPA1517 在上電斷電期間常遭受較大的噪聲困擾。雜音抑制電路，可用于解決這種困擾。雜音抑制電路單獨(dú)不能在上電斷電時(shí)發(fā)揮太大的作用，因?yàn)殡娫匆褟碾s音抑制電路以及設(shè)備中消除。但是，TPA1517 能夠在待機(jī)模式下上電斷電。當(dāng)上電操作給雜音抑制電路足夠的時(shí)間施加適當(dāng)偏壓時(shí)，讓 TPA1517 保持待機(jī)模式，這樣當(dāng)設(shè)備置于工作狀態(tài)時(shí)，雜音就能大幅降低。同樣的，雜音抑制電路在待機(jī)模式下將輸出保持接地，這樣當(dāng)設(shè)備斷電時(shí)，它事實(shí)上是沒有雜音的。