消除音頻輸出端的喀嗒聲方法

喀嗒聲指惱人的音頻瞬態(tài)噪聲，在耳機放大器打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)由耳機產(chǎn)生。通過(guò)去掉傳統耳機放大器輸出端的隔直電容，美信公司的DirectDrive專(zhuān)利技術(shù)可去除喀嗒聲，同時(shí)提供更好的低頻響應。本文先闡述DirectDrive原理，如何工作以及帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。然后介紹一個(gè)在手機等便攜設備上已驗證的去除耳機喀嗒聲的方法。

便攜音頻產(chǎn)品的差異化一直是個(gè)熱門(mén)話(huà)題。什么特點(diǎn)能讓產(chǎn)品A相比競爭產(chǎn)品B更出色？通常的音頻指標（頻響平坦度、總諧波失真加噪聲值等）都如此相似以至于難分勝負。用戶(hù)界面當然是有明顯差異，但這往往帶有太多的主觀(guān)性。我們希望有一個(gè)客觀(guān)的音頻指標，它可以幫助產(chǎn)品脫穎而出。

耳機打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)的喀嗒聲就是一個(gè)重要且客觀(guān)的音頻指標。隨著(zhù)人們對音頻性能的期望越來(lái)越高，去瞬態(tài)噪聲處理已逐漸成為便攜音頻產(chǎn)品的一個(gè)關(guān)鍵賣(mài)點(diǎn)。

傳統耳機放大器

在便攜音頻系統中，電源管理對延長(cháng)電池使用時(shí)間很重要，所以很多功能模塊在不使用時(shí)經(jīng)常被關(guān)閉。這種設計思路使得音頻喀嗒聲更容易出現。理想器件在打開(kāi)或者關(guān)閉時(shí)沒(méi)有音頻輸出，但實(shí)際音頻放大器總是會(huì )或多或少的產(chǎn)生喀嗒聲。

大部分由電池供電的傳統耳機放大器都是單電源供電，它們工作在正電壓和地之間。這些放大器只能通過(guò)正信號，而放大器輸入的音頻信號則有正有負。所以，放大器必須加入直流偏置才能接受音頻信號。為了獲得最大的信號擺幅，直流偏置點(diǎn)一般都設定為供電電壓的一半（圖1）。

圖1. DirectDrive放大器的輸出波形和傳統耳機放大器的輸出波形對比

雖然放大器需要直流偏置，但耳機卻只接受交流信號。將直流偏置加到耳機上，耳機動(dòng)圈會(huì )從中間位置移至最邊界。這意味著(zhù)耳機輸出的聲壓將出現失真。同時(shí)，消耗在耳機線(xiàn)圈的直流信號造成了能量損失和不必要的熱。在極端情況下，這些熱可能會(huì )永久性損壞耳機。

傳統音頻系統包括隔直電容，它可以阻止直流偏置進(jìn)入耳機。該電容和阻性負載組成了高通濾波器。因為傳統耳機的等效阻抗為32，隔直電容必須足夠大才不會(huì )阻止音頻通過(guò)：

為了讓低至20Hz的音頻通過(guò)，我們要使用至少250uF的電容。如果耳機阻抗為16，那么我們將需要至少500uF的隔直電容。

某些系統可能有足夠空間來(lái)使用相對便宜的鋁電解電容，但大部分便攜設備無(wú)法做到。因而，我們必須使用昂貴的鉭電容，即使這樣鉭電容仍然需要相當的板上空間。我們也可以使用較小容值的電容來(lái)節約空間和成本，但無(wú)法保證低至20Hz的平坦頻響曲線(xiàn)（圖2）。

圖2. 16耳機放大器的頻響曲線(xiàn)

“無(wú)偏置”技術(shù)介紹

包括美信在內的一些公司開(kāi)發(fā)了不需要直流偏置的耳機放大器（該電路在美信的專(zhuān)利為DirectDrive，本文稱(chēng)為無(wú)偏置）。雖然無(wú)偏置耳機放大器由單電源供電，它仍然能通過(guò)正、負信號。負擺幅由板載電荷泵產(chǎn)生的負電源實(shí)現，該負電源可以跟蹤相應正電源的幅度。這樣，放大器就成為了零偏置（圖1）。

無(wú)偏置設計中的電荷泵只需要兩個(gè)很小的外部陶瓷電容：一個(gè)飛跨電容和一個(gè)保持電容。一般，它們的容值為1uF，體積為0402（0.4×0.2mm）。因而，相比包含220uF大電容的傳統耳機放大器電路，無(wú)偏置設計在提供卓越性能的同時(shí)還節省了空間。

走近“喀嗒聲”

現在，我們從電氣角度來(lái)分析喀嗒聲。在傳統耳機放大器中，輸出電容在放大器打開(kāi)時(shí)會(huì )充電，在關(guān)閉時(shí)會(huì )放電。因為電容的電荷將流過(guò)耳機，所以充、放電過(guò)程將產(chǎn)生惱人的喀嗒聲。圖3為喀嗒聲的等效電路，Vcc/2電源代表耳機放大器輸出端的直流偏置。

圖3. 喀嗒聲的等效電路，C1代表隔直電容，R1代表耳機負載

S1和S2不能同時(shí)打開(kāi)或者關(guān)閉，它們用來(lái)模擬耳機放大器的打開(kāi)和關(guān)閉：

(a) S1斷開(kāi)，S2閉合:

(b) S1閉合，S2斷開(kāi):

(c) S1再次斷開(kāi)，S2再次閉合:

圖4

圖4中的黃色波形描述了喀嗒聲。 圖4. 喀嗒聲的理論波形。