保證便攜式電腦音質(zhì)的精巧電路

摘要： 給出便攜式電腦高品質(zhì)音質(zhì)的精巧電路。

關(guān)鍵詞： 高品質(zhì)音頻；便攜式電腦

無(wú)論是筆記本還是PDA，便攜式電腦都只能為高品質(zhì)音頻提供苛刻的環(huán)境。噪雜的電源、有限的空間以及與數字電路共用的電源/地平面都對模擬、混合信號模塊提出了實(shí)質(zhì)性的要求。這些模擬模塊提供了音樂(lè )回放、錄音及其他功能。用戶(hù)對高品質(zhì)音頻的期望還與電池壽命最大化產(chǎn)生了矛盾。高品質(zhì)音頻通常要求避免電路的頻繁關(guān)斷。

使高性能、低噪聲的模擬電路與ASIC、處理器和DC-DC轉換器并存是音頻設計人員面臨的挑戰。譬如，試想一下典型音頻回放鏈路中耳機驅動(dòng)需要注意的事宜。

筆記本電腦的耳機輸出必須用幅度范圍1Vrms以?xún)鹊男盘杹?lái)驅動(dòng)一個(gè)低阻抗(一般為32W，有時(shí)為16W)負載，同時(shí)保證與源信號一樣的動(dòng)態(tài)范圍。這看上去是件簡(jiǎn)單的事，但仔細研究就會(huì )發(fā)現這其實(shí)有不少苛刻的現實(shí)：
*在單電源供電的情況下，耳機輸出要保持較大的動(dòng)態(tài)范圍。該電源通常和高速數字電路共用一個(gè)DC-DC轉換器。
*在上述電路中若給定信號幅度和負載阻抗，則從電源吸入的電流峰值可達到90mA。
*在電源掉電或者關(guān)斷耳機驅動(dòng)時(shí)，要確保咔嗒聲或者瞬間沖擊不被人耳察覺(jué)。

電源噪聲

要實(shí)現不錯的信噪比，必須抑制耳機放大器輸出的電源噪聲效應。耳機驅動(dòng)的電源噪聲抑制能力至關(guān)重要。譬如，基于CD或者DVD的音頻信號動(dòng)態(tài)范圍能超過(guò)90dB。假定某個(gè)100mV的噪聲成分加在音頻電源上，且噪聲大部分的頻譜成分都在音頻帶寬內，必須將耳機輸出端的噪聲降低至30mV來(lái)保證90dB的動(dòng)態(tài)范圍。所以耳機驅動(dòng)在該頻段的PSRR必須要大于70dB。

為了在音頻頻段實(shí)現高的電源噪聲抑制，必須要仔細考慮設計方案，特別要注意放大器在該頻段的電源噪聲抑制。粗略查看一下大多數運放，我們會(huì )發(fā)現PSRR在低頻段都會(huì )很高，但隨著(zhù)頻率增加而急劇下降(通常為-20dB/10倍頻)。在20kHz的時(shí)候，一些運放的PSRR甚至已經(jīng)低于40dB。

一些DC-DC轉換器會(huì )在音頻頻譜段的高端產(chǎn)生較高的噪聲成分。雖然這些噪聲基本無(wú)法聽(tīng)到，但在耳機輸出端依然可以測量到的。值得注意的是，大部分擁有內置耳機驅動(dòng)的音頻DAC(或者CODEC)數據手冊很少提示讀者關(guān)注PSRR參數。即使注明了該參數，也只是一個(gè)簡(jiǎn)單的電子參數，而不會(huì )給出PSRR的頻率曲線(xiàn)。

因為大部分耳機放大器缺少足夠的PSRR，你可以外加一個(gè)LDO來(lái)凈化耳機放大器的電源。為了給筆記本電腦的音頻輸出提供足夠的電源噪聲抑制能力，譬如，當還是用公用的+5V給音頻電路供電時(shí)，特定的一些電路供電通常被調整到了4.7V附近。

MAX4298/MAX4299(超高PSRR立體聲驅動(dòng))通過(guò)對內部的關(guān)鍵電路節點(diǎn)進(jìn)行內部調整的方法將PSRR提高到一般標準之上。這樣，PSRR在1KHz時(shí)可達100dB，從而不再需要外加LDO(圖1)。

圖1  在MAX4298典型應用中，要注意220mF交流耦合電容去掉了將要加在耳機上的直流成分?？蛇x元件可控制掉電的瞬間沖擊幅度。

咔嗒聲和噼啪聲抑制

咔嗒和噼啪聲抑制通常是描述在靜音或者上、下電時(shí)，芯片減小瞬間沖擊的能力。如果沒(méi)有下行電路用靜音來(lái)掩蓋產(chǎn)生的畸變成分，單在輸出驅動(dòng)上我們很難實(shí)現這一功能。比如插入耳機，在音頻系統中都會(huì )不可避免的產(chǎn)生瞬間沖擊現象。

耳機驅動(dòng)通常都是單電源供電，且需要通過(guò)一個(gè)很大的電容交流耦合到耳機插孔，如圖2。這樣可以防止直流成分通過(guò)耳機，因為直流成分有可能損壞耳機。由于電容近耳機端是地電平，且放大器輸出是中間電平偏置，所以在隔直電容上有電壓存在。當上電時(shí)，電容會(huì )充電至自身的工作電壓，這樣就會(huì )有充電電流流過(guò)負載(耳機線(xiàn)圈)。如何才能阻止充電電流產(chǎn)生耳機噪聲呢？

圖2  該電路是單電源供電耳機驅動(dòng)的常規設計，其中串聯(lián)電容和耳機本身阻抗構成了高通濾波器(需要阻止直流成分通過(guò)耳機)

一些設計通過(guò)放在放大器輸出周邊的場(chǎng)效應管和分立元件來(lái)抑制充電電流。另外，也可以通過(guò)控制RC時(shí)間常數來(lái)減緩開(kāi)啟的過(guò)渡過(guò)程，從而利用降低干擾的頻率成分來(lái)減少噪聲。目前至少有一個(gè)產(chǎn)品使用了背對背指數上升(S形曲線(xiàn))來(lái)進(jìn)一步抑制上電引起的“噼啪”聲。和RC指數方法不太一樣，這種S形曲線(xiàn)不會(huì )產(chǎn)生dV/dt的突然變化。

掉電的瞬間沖擊是更難處理的問(wèn)題。在沒(méi)有電源供電的情況下，放大器如何控制輸出端電容放電呢？一種解決方案是給耳機驅動(dòng)提供待機電源，該電源包括一個(gè)在正常供電階段已充電的電容。這樣就可以使放大器在主電源掉電后，有足夠的能量來(lái)逐漸關(guān)機。圖1的芯片已使用該技術(shù)，產(chǎn)生的波形如圖3。

圖3  這些波形給出了圖1電路在上電VCC (t =0s)和掉電(t =2s)的狀態(tài)。請注意，MAX4298輸出端(紅色曲線(xiàn))的S形轉變在負載上(藍色曲線(xiàn))產(chǎn)生了平緩和受限的輸出分布。受控的輸出把上電瞬間沖擊限制到人耳不敏感的亞音頻頻率。

如圖3所示，外加幾個(gè)元件可以使MAX4298實(shí)現可控且平緩的掉電瞬間沖擊，它和上電的瞬間沖擊是互為鏡像的。該方案使用了輔助VCC腳(SVCC)。當VCC供電時(shí)，一個(gè)外加的肖特基二極管給儲能電容充電；當系統掉電時(shí)，MAX4298工作如下：
*音頻靜音；
*立體聲放大器切換到低靜態(tài)電流模式，且從SVCC引腳取電；
*輸出偏置電壓沿S形曲線(xiàn)逐級降至地電平，所以消除了dV/dt的突然變化，和上電波形鏡像；
*儲能電容最后放電，由于輸出電平是地電平，所以當SVCC電源緩慢耗盡時(shí)輸出沖擊可以忽略。

不同的解決方案

上述的方案為了滿(mǎn)足上述一個(gè)小特性就需要花費很多力氣(以及外加元件)，但市場(chǎng)部門(mén)并不太認可。一種理想的方案就是完全去掉輸出電容，從而消除由于充、放電在耳機線(xiàn)圈上產(chǎn)生的效應。如果放大器是雙電源供電，那么輸出偏置就是零電平，這樣就可以用直流耦合來(lái)完全去掉隔直電容。

假定大部分電池供電設計都有單電源供電的限制，設計人員可以有幾種選擇。一種是用第三個(gè)放大器去偏置耳機，使之回到中間電平，從而產(chǎn)生一個(gè)“偽0V”輸出偏置。因為主流的立體聲放大器也都偏置在中間電平，所以直流耦合電容可以去掉。但是，第三個(gè)放大器必須能夠從兩個(gè)主放大器端吸入和供給電流，而且還要能承受耳機座帶來(lái)的靜電放電(耳機插座必須和底板地隔離)。

另一種方案是由正電源產(chǎn)生一個(gè)專(zhuān)用的負電壓，或者使用能方便的自己產(chǎn)生負電壓的器件(圖4)。這種方案拋開(kāi)了靜電和接地問(wèn)題，額外的電壓空間使輸出電壓的峰－峰值變成了原來(lái)的兩倍。這對+3V供電的設計是十分有利的。

圖4. 為了給放大器提供雙電源，芯片內置的電荷泵要反轉正電壓。因為不再需要串聯(lián)電容，所以電荷泵所需要的小陶瓷電容可以最大可能的減小了PCB面積。

MAX4410耳機放大器通過(guò)正電源引腳，在芯片內部產(chǎn)生自己的負電壓。因為放大器的直流輸出偏置是0V，所以不再需要輸出電容。一個(gè)內置的閉塞電路避免了由于供電電壓過(guò)低或者上、下電過(guò)程中產(chǎn)生的偽操作。因而，消除了咔嗒和噼啪聲。因為放大器輸出電壓擺幅是單電源的兩倍，所以另一個(gè)優(yōu)勢就是獲得了更多的信號空間和更大的輸出能量。

更多的困難

一個(gè)產(chǎn)品發(fā)布前，在試驗平臺上的設計通常會(huì )有很多妥協(xié)。譬如，靜電要求就需要在耳機驅動(dòng)和插座之間加入鐵氧體磁珠或者其他EMC手段。這些元件在音頻頻段會(huì )有明顯的阻抗，因此會(huì )引入串擾和造成輸出能量的損失。仔細的設計和使用凱爾文檢測法能盡可能的恢復音頻性能。
從耳機回流的電流同樣要認真對待。對于100mA的電流，有限阻抗的地平面或者PCB走線(xiàn)會(huì )導致很大的阻性壓降。當與DC-DC轉換器共用地時(shí)，類(lèi)似的機制會(huì )降低SNR。專(zhuān)用的回路以及鋪銅會(huì )有所幫助。

一個(gè)數字的未來(lái)？

除非數字輸入耳機開(kāi)始普及，否則驅動(dòng)插座式的耳機電路仍將是模擬電路。未來(lái)會(huì )屬于數字的嗎？雖然為了保持效率和減小EMI，濾波元件不可缺少，但Class D設計的確能保持數字音頻通路至放大器輸出。由于PSRR和咔嗒和噼啪聲抑制依舊會(huì )降低音頻性能，所以模擬硬件設計工程師在相當長(cháng)的一段時(shí)間內仍有用武之地。

參考文獻：

1. Maxim公司，MAX4298數據手冊
2. Maxim公司，MAX4410數據手冊
3. 低噪聲音頻供電電路，http://www.maxim-ic.com.cn/appnotes.cfm/an pk/899