音頻雜訊和破音的表征與解決之道

　音頻雜訊和破音(click and pop)是揚聲器或耳機產生的不良噪聲。它是由注入揚聲器線圈的瞬態(tài)電流脈沖引起的，該電流瞬間移動進出揚聲器紙盆就造成了雜訊和破音。雜訊和破音可能使人的耳朵感到不愉快和厭煩。當音源上電或掉電(powering up or down)，或當音頻信號減弱或被不同負載復用時，就會產生雜訊和破音。這些情況產生的瞬態(tài)脈沖通過揚聲器負載放電，從而造成一種不良的雜訊和破音。

　　雜訊和破音的來源

　　雜訊和破音瞬變的一些常見原因是：電源瞬變;DC輸入瞬變;音頻驅動器偏移電壓。

　　1. 電源瞬變

　　當音頻元件的DC電源轉換開(ON)關(OFF)時，由于變化的電源電壓轉換速率(slew rate)的緣故，揚聲器或耳機的電壓可能出現(xiàn)反跳(bounce)。盡管電源旁路(by-pass)電容有助于減少一個元件電源引腳上的噪聲尖峰，如圖1所示的建立在V+引腳的低通濾波器(LPF)之上的一項技術，可以進一步減少電源引腳的瞬變。

　　在IC的Vbattery電源引腳和V+引腳之間放上一個串聯(lián)電阻RSeries，就構成了一個帶有去耦電容Cin 的低通濾波器(LPF)。由于Intersil的音頻開關IC消耗的電源電流≤10μA，這個解決方案很有效，在大小適當時，可以使串聯(lián)電阻兩端的電壓降忽略不計。這個LPF可將DC電壓的快轉換速率瞬變轉換成IC電源引腳上較慢的指數(shù)斜率。較慢的斜坡電壓可以最大限度地減少電源的開關瞬變，同時消除開關輸出端所有的注入電荷，這些電荷會導致負載上的雜訊和破音。

　　2. DC輸入瞬變

　　圖2顯示了一個簡化布局的驅動一個32Ω耳機的單電源音頻放大器，它廣泛用于許多便攜式媒體播放器。音頻放大器的輸出信號DC偏置在系統(tǒng)電源電壓的一半，允許在正負方向的完整的音頻信號擺幅。220μF隔直流(DC blocking)電容可消除耳機負載的DC偏置。220μF電容和32Ω負載阻抗構成了一個有22Hz轉角頻率的高通濾波器(HPF)，可覆蓋整個音頻帶寬。

　　圖3顯示了隨著音頻放大器的上電和掉電在耳機上出現(xiàn)的瞬態(tài)電壓波形。當音頻放大器在DC偏置上電(退出休眠模式)或掉電(進入休眠模式)時，由于電容器的dv/dt的原理，電容的VLoad節(jié)點會出現(xiàn)一個瞬間電壓變化。由于負載存在一個對地的DC路徑，使電容放電回到0V。負載兩端突然的DC電壓變化可導致?lián)P聲器紙盆隨瞬態(tài)脈沖電流運動，而出現(xiàn)雜訊和破音。

　　3. 音頻驅動器DC偏置電壓

　　圖4顯示了一個不需要隔直流電容的音頻驅動器輸出級的應用，因為這里沒有DC偏差電壓。這個應用通常使用有負擺幅能力的雙電源音頻驅動器或單電源音頻驅動器。音頻驅動器的運算放大器(op-amp)可以有范圍在±10mV至±20mV的DC偏置電壓。由于沒有使用隔直流電容，當開關打開時，這個偏置電壓直接與揚聲器負載耦合(或在關閉時去耦)。這個偏移電壓可以大到足以導致?lián)P聲器出現(xiàn)雜訊或破音。

 雜訊和破音的表征
 
到目前為止，重點一直是在雜訊和破音的來源。在這一節(jié)給出了雜訊和破音瞬變的波形。表征了在一個正常（典型、環(huán)境）聆聽環(huán)境中加載的各種前置放大器（pre-amp）、揚聲器和耳機表現(xiàn)出來的雜訊和破音瞬變。完成這次測試的揚聲器距離聽眾的耳朵6英寸，并有一個正常應用的耳機戴在耳朵上。下面的結果表明，雜訊和破音是在以下共有條件下在負載上產生的結果：
 
對于一個32W耳機：
 
1. 脈沖轉換速率超過6.35V/s。
2. 脈沖寬度超過0.6μs。
3. 脈沖幅度超過2mV。
 
對于一個10kW輸入阻抗的前置放大器，設置增益為10來驅動4W揚聲器：
 
1. 脈沖轉換速率超過25V/s。
2. 脈沖寬度超過0.6μs。
3. 脈沖幅度超過10mV。
 
對于一個20kW輸入阻抗前置放大器，設置增益為10來驅動8W揚聲器：
 
1. 脈沖轉換速率超過20V/s。
2. 脈沖寬度超過0.6μs。
3. 脈沖幅度超過10mV。
 
通過將瞬態(tài)脈沖的轉換速率、寬度或幅度減少到低于上述閾值，就可以將雜訊和破音降低到聽不到的水平。Intersil公司開發(fā)了一個消除不同負載雜訊和破音的標準。該標準見表1。然而，雜訊和破音的可聽度是非常主觀的，它取決于這樣一些因素，如：揚聲器的靈敏度、耳朵敏感性，以及聆聽環(huán)境的環(huán)境噪聲量。因此，表1只作為一項準則，并不代表可以絕對消除雜訊和破音。
 
表1：為消除雜訊和破音推薦的條件
 

負載	增益	脈沖轉換速率	脈沖持續(xù)時間	脈沖幅度
32W耳機	單位	≤5V/s	≤0.5µs	≤1mV
10kW前置放大器 – 4W揚聲器	10	≤10V/s	≤0.5µs	≤5mV
20kW前置放大器–8W揚聲器	10	≤10V/s	≤0.5µs	≤5mV

 
重要的是要注意，在脈沖持續(xù)時間超過大約10ms時，“雜訊”或“破音”會出現(xiàn)在每一個脈沖轉換（即上升或下降）。對于0.6μs到10ms范圍的瞬態(tài)脈沖寬度，“雜訊”和“破音”的出現(xiàn)如此接近，以致聲音的出現(xiàn)被認為是異口同聲。如表1所示，脈沖幅度的減少必須消除雜訊和破音，表現(xiàn)為dB并基于50％音頻放大器電源電壓偏置的瞬態(tài)脈沖幅度，如下面的表2所示：
 
表2：脈沖幅度減少
 

Intersil減少雜訊和破音的技術
 
Intersil公司在Switch/MUX產品線中采用了不同的技術來消除雜訊和破音。選擇使用哪種技術是由一個必要的隔直流電容決定的。下面一節(jié)描述了以Intersil的模擬開關實現(xiàn)的兩種技術。
 
1. 雜訊和破音分流網絡
 
單電源負信號擺幅設計能夠模擬開關，允許音頻輸入信號達到地電位以下。這種設計的一個好處是，隔直流電容可以放在音頻驅動器與開關之間，而不是放在開關和負載之間。采用此配置的對地低阻抗分流電阻可以集成進開關，在音頻驅動器開或關時對隔直流電容放電。例如，當從關閉狀態(tài)進入上電狀態(tài)時，SPDT開關采用如圖5所示的配置。當出現(xiàn)音頻驅動器電源電壓時，分流電阻放電，開關輸入節(jié)點回到地電位。假設一個合適的RC時間延遲將開關輸入放電到0V，那么該開關就可以連接到32W負載，而不出現(xiàn)雜訊和破音瞬變。
 

 
圖5：采用分流網絡的模擬開關
（圖字：SPDT開關，32W耳機）
 
圖6顯示了具有雜訊和破音分流電路禁用功能的ISL54406的輸入和輸出波形。當音頻驅動器打開，兩端的隔直流電容器上的瞬態(tài)電壓直接與開關輸出耦合。可看到揚聲器對DC瞬態(tài)放電在開關輸入，從而引起雜訊和破音。
 
圖7中的雜訊和破音分流電路采用了ISL54406。100ms的延遲時間可以在開關打開將音頻驅動器連接到揚聲器負載之前，將開關輸入完全放電到0V。當開關在時間延遲之后打開時，可以看出負載上的瞬態(tài)電壓可忽略不計，從而消除了雜訊和破音。
 
 
圖6：具有雜訊和破音禁用功能的ISL54406
 
（圖字：音頻驅動器DC偏壓，開關輸入波形，開關輸出波形，ISL54406具有雜訊和破音禁用功能）
 
 
 
圖7：具有雜訊和破音功能的ISL54406
（圖字：ISL54406具有雜訊和破音功能，100ms延遲，開關邏輯，音頻驅動器DC偏壓，開關輸入波形，開關輸出波形）

 
2. 軟啟動開關
 
在便攜式應用中，減小尺寸是重中之重，在地電位以下擺動的單電源音頻驅動器可用來省去隔直流電容。不需要隔直流電容的音頻驅動器仍會受雜訊和破音問題的影響，因為音頻驅動器運算放大器的DC偏移電壓范圍為±10mV至±20mV。如果沒有一個電容來消除DC偏移電壓，在開關切換時，開關將會把偏移耦合到負載。
 
這個問題的解決辦法是逐步將開關OFF電阻提升到開關ON電阻，使負載電壓的轉換速率（V/s）足夠慢，以不致引起雜訊和破音。當通過調制開關導通時間（on time）打開開關時，軟啟動開關可以漸進減小開關電阻。漸進的電阻變化可以在電源開啟時在負載上建立一個時變（time varying）電壓分壓器。在負載上，表1給出的滿足的轉換速率可以消除由于DC偏移電壓引起的雜訊和破音。
 
圖8突出顯示了集成了軟啟動開關的ISL54405器件。一個外部軟起動電容可用來改變開關的開啟時間，限制開關輸出轉換速率。圖9和圖10顯示了具有軟啟動禁用功能的ISL54405器件。利用開關輸入端20mV的DC信號，開啟開關產生一個輸出，將轉換速率提升至1000V/s以上。圖11顯示了具有軟啟動開啟功能ISL54405器件。利用軟啟動功能，現(xiàn)在開關輸出的轉換速率不到5V/s，這符合雜訊和破音消除標準，見表1。
 
 
 
圖8：采用軟啟動電容器的ISL54405器件
（圖字：5V電源，3V電源，軟啟動，軟啟動電容，雜訊和破音和邏輯控制，音頻編解碼器1，音頻編解碼器2）
 
 
 
圖9：具有軟啟動禁用功能的ISL54405（第一部分）
（圖字：MUTE信號，20mV偏移開關輸入，開關輸出，ISL54405器件軟啟動禁用）
 
 
 
圖10：軟啟動與禁用功能的ISL54405（第2部分）
（圖字：MUTE信號，20mV偏移開關輸入，開關輸出，ISL54405器件軟啟動禁用，轉換速率＝1550V/μs）
 
 
 
圖11：具有軟啟動開啟功能的ISL54405
（圖字：MUTE信號，20mV偏移開關輸入，開關輸出，ISL54405器件軟啟動開啟，轉換速率＝3.5V/μs）
 
結論
 
雜訊和破音會對音頻應用產生是不良影響，有一些技術可用來消除這種瞬變。如果減少了雜訊和破音瞬變的特性，就可以消除雜訊和破音，這樣就可以符合表1中給出的標準。集成了雜訊和破音消除功能的Intersil模擬開關的推出可以實現(xiàn)高性能的音頻信號路由，同時盡量減少電路板的空間和功耗。