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(shù)字電路共用的電源/地平面都對(duì)模擬、混合信號(hào)模塊提出了實(shí)質(zhì)性的要求。這些模擬模塊提供了音樂回放、錄音及其他功能。用戶對(duì)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(zhuǎn)換器并存是音頻設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)。譬如，試想一下典型音頻回放鏈路中耳機(jī)驅(qū)動(dòng)需要注意的事宜。

筆記本電腦的耳機(jī)輸出必須用幅度范圍1Vrms以內(nèi)的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)一個(gè)低阻抗(一般為32W，有時(shí)為16W)負(fù)載，同時(shí)保證與源信號(hào)一樣的動(dòng)態(tài)范圍。這看上去是件簡(jiǎn)單的事，但仔細(xì)研究就會(huì)發(fā)現(xiàn)這其實(shí)有不少苛刻的現(xiàn)實(shí)：
*在單電源供電的情況下，耳機(jī)輸出要保持較大的動(dòng)態(tài)范圍。該電源通常和高速數(shù)字電路共用一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器。
*在上述電路中若給定信號(hào)幅度和負(fù)載阻抗，則從電源吸入的電流峰值可達(dá)到90mA。
*在電源掉電或者關(guān)斷耳機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，要確保咔嗒聲或者瞬間沖擊不被人耳察覺。

電源噪聲

要實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的信噪比，必須抑制耳機(jī)放大器輸出的電源噪聲效應(yīng)。耳機(jī)驅(qū)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(hào)動(dòng)態(tài)范圍能超過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(nèi)，必須將耳機(jī)輸出端的噪聲降低至30mV來保證90dB的動(dòng)態(tài)范圍。所以耳機(jī)驅(qū)動(dòng)在該頻段的PSRR必須要大于70dB。

為了在音頻頻段實(shí)現(xiàn)高的電源噪聲抑制，必須要仔細(xì)考慮設(shè)計(jì)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(shù)運(yùn)放，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)PSRR在低頻段都會(huì)很高，但隨著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(yùn)放的PSRR甚至已經(jīng)低于40dB。

一些DC-DC轉(zhuǎn)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法聽到，但在耳機(jī)輸出端依然可以測(cè)量到的。值得注意的是，大部分擁有內(nèi)置耳機(jī)驅(qū)動(dòng)的音頻DAC(或者CODEC)數(shù)據(jù)手冊(cè)很少提示讀者關(guān)注PSRR參數(shù)。即使注明了該參數(shù)，也只是一個(gè)簡(jiǎn)單的電子參數(shù)，而不會(huì)給出PSRR的頻率曲線。

因?yàn)榇蟛糠侄鷻C(jī)放大器缺少足夠的PSRR，你可以外加一個(gè)LDO來凈化耳機(jī)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(dāng)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(diào)整到了4.7V附近。

MAX4298/MAX4299(超高PSRR立體聲驅(qū)動(dòng))通過對(duì)內(nèi)部的關(guān)鍵電路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部調(diào)整的方法將PSRR提高到一般標(biāo)準(zhǔn)之上。這樣，PSRR在1KHz時(shí)可達(dá)100dB，從而不再需要外加LDO(圖1)。

圖1  在MAX4298典型應(yīng)用中，要注意220mF交流耦合電容去掉了將要加在耳機(jī)上的直流成分。可選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。如果沒有下行電路用靜音來掩蓋產(chǎn)生的畸變成分，單在輸出驅(qū)動(dòng)上我們很難實(shí)現(xiàn)這一功能。比如插入耳機(jī)，在音頻系統(tǒng)中都會(huì)不可避免的產(chǎn)生瞬間沖擊現(xiàn)象。

耳機(jī)驅(qū)動(dòng)通常都是單電源供電，且需要通過一個(gè)很大的電容交流耦合到耳機(jī)插孔，如圖2。這樣可以防止直流成分通過耳機(jī)，因?yàn)橹绷鞒煞钟锌赡軗p壞耳機(jī)。由于電容近耳機(jī)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(dāng)上電時(shí)，電容會(huì)充電至自身的工作電壓，這樣就會(huì)有充電電流流過負(fù)載(耳機(jī)線圈)。如何才能阻止充電電流產(chǎn)生耳機(jī)噪聲呢？

圖2  該電路是單電源供電耳機(jī)驅(qū)動(dòng)的常規(guī)設(shè)計(jì)，其中串聯(lián)電容和耳機(jī)本身阻抗構(gòu)成了高通濾波器(需要阻止直流成分通過耳機(jī))

一些設(shè)計(jì)通過放在放大器輸出周邊的場(chǎng)效應(yīng)管和分立元件來抑制充電電流。另外，也可以通過控制RC時(shí)間常數(shù)來減緩開啟的過渡過程，從而利用降低干擾的頻率成分來減少噪聲。目前至少有一個(gè)產(chǎn)品使用了背對(duì)背指數(shù)上升(S形曲線)來進(jìn)一步抑制上電引起的“噼啪”聲。和RC指數(shù)方法不太一樣，這種S形曲線不會(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題。在沒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(jī)驅(qū)動(dòng)提供待機(jī)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，有足夠的能量來逐漸關(guān)機(jī)。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(qǐng)注意，MAX4298輸出端(紅色曲線)的S形轉(zhuǎn)變?cè)谪?fù)載上(藍(lán)色曲線)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(xiàn)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(dāng)VCC供電時(shí)，一個(gè)外加的肖特基二極管給儲(chǔ)能電容充電；當(dāng)系統(tǒng)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形曲線逐級(jí)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(chǔ)能電容最后放電，由于輸出電平是地電平，所以當(dāng)SVCC電源緩慢耗盡時(shí)輸出沖擊可以忽略。

不同的解決方案

上述的方案為了滿足上述一個(gè)小特性就需要花費(fèi)很多力氣(以及外加元件)，但市場(chǎng)部門并不太認(rèn)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(jī)線圈上產(chǎn)生的效應(yīng)。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完全去掉隔直電容。

假定大部分電池供電設(shè)計(jì)都有單電源供電的限制，設(shè)計(jì)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(jī)，使之回到中間電平，從而產(chǎn)生一個(gè)“偽0V”輸出偏置。因?yàn)橹髁鞯牧Ⅲw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(jī)座帶來的靜電放電(耳機(jī)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)專用的負(fù)電壓，或者使用能方便的自己產(chǎn)生負(fù)電壓的器件(圖4)。這種方案拋開了靜電和接地問題，額外的電壓空間使輸出電壓的峰－峰值變成了原來的兩倍。這對(duì)+3V供電的設(shè)計(jì)是十分有利的。

圖4. 為了給放大器提供雙電源，芯片內(nèi)置的電荷泵要反轉(zhuǎn)正電壓。因?yàn)椴辉傩枰?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(jī)放大器通過正電源引腳，在芯片內(nèi)部產(chǎn)生自己的負(fù)電壓。因?yàn)榉糯笃鞯闹绷鬏敵銎檬?V，所以不再需要輸出電容。一個(gè)內(nèi)置的閉塞電路避免了由于供電電壓過低或者上、下電過程中產(chǎn)生的偽操作。因而，消除了咔嗒和噼啪聲。因?yàn)榉糯笃鬏敵鲭妷簲[幅是單電源的兩倍，所以另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是獲得了更多的信號(hào)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(yàn)平臺(tái)上的設(shè)計(jì)通常會(huì)有很多妥協(xié)。譬如，靜電要求就需要在耳機(jī)驅(qū)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?dāng)_和造成輸出能量的損失。仔細(xì)的設(shè)計(jì)和使用凱爾文檢測(cè)法能盡可能的恢復(fù)音頻性能。
從耳機(jī)回流的電流同樣要認(rèn)真對(duì)待。對(duì)于100mA的電流，有限阻抗的地平面或者PCB走線會(huì)導(dǎo)致很大的阻性壓降。當(dāng)與DC-DC轉(zhuǎn)換器共用地時(shí)，類似的機(jī)制會(huì)降低SNR。專用的回路以及鋪銅會(huì)有所幫助。

一個(gè)數(shù)字的未來？

除非數(shù)字輸入耳機(jī)開始普及，否則驅(qū)動(dòng)插座式的耳機(jī)電路仍將是模擬電路。未來會(huì)屬于數(shù)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(shè)計(jì)的確能保持?jǐn)?shù)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(shè)計(jì)工程師在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍有用武之地。

參考文獻(xiàn)：

1. Maxim公司，MAX4298數(shù)據(jù)手冊(cè)
2. Maxim公司，MAX4410數(shù)據(jù)手冊(cè)
3. 低噪聲音頻供電電路，http://www.maxim-ic.com.cn/appnotes.cfm/an pk/899