消除手機(jī)中的耳機(jī)爆破音和TDMA噪聲

隨著音樂(lè)手機(jī)概念的風(fēng)行，手機(jī)不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的通話工具，人們?cè)絹?lái)越關(guān)心手機(jī)的音樂(lè)播放音效，這給手機(jī)音頻設(shè)計(jì)也帶來(lái)了越來(lái)越多的壓力。本文概述手機(jī)模擬音頻設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到的耳機(jī)爆破音、TDMA噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，并介紹通過(guò)選擇合適的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決這些問(wèn)題。

關(guān)于耳機(jī)爆破音

在手機(jī)中，無(wú)論基帶芯片或應(yīng)用處理器中集成的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器，或者分立的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器都是單電源供電的，其用來(lái)驅(qū)動(dòng)耳機(jī)的單端信號(hào)輸出電平通常介于電源電壓和GND之間，正常播放音樂(lè)時(shí)輸出的交流信號(hào)會(huì)帶有Vcc/2的偏置電壓。由于動(dòng)圈耳機(jī)的直流阻抗只有16或32歐姆，為了降低耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈耳機(jī)的功耗，并減小直流偏置對(duì)耳機(jī)的損害，輸出信號(hào)有直流偏置的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器會(huì)要求在功放和耳機(jī)之間串聯(lián)一個(gè)隔直電容。該隔直電容會(huì)和耳機(jī)阻抗形成一個(gè)高通濾波器，理想條件下該高通濾波器的3dB低頻截止頻率為1/2πRC(R為耳機(jī)的阻抗，C為隔直電容的容值)。為了改善耳機(jī)低頻音效，我們希望此高通濾波器的低頻截止頻率越低越好，但由于耳機(jī)的阻抗是固定的，為獲得更好低頻響應(yīng)唯一可以改變的就是電容容值，所以一般用于耳機(jī)輸出的隔直電容容值都很大，圖1所示為選擇不同容值的隔直電容時(shí)形成的高通濾波器頻響曲線。

圖1  采用不同容值的隔直電容時(shí)形成的高通濾波器頻響

由于電容的存在，當(dāng)耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器第一次上電或從關(guān)斷模式喚醒時(shí)，帶有直流偏置的輸出信號(hào)加載到隔直電容上的瞬間，電容上的電壓建立過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的充電電流，同樣耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器斷電時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的放電電流。這是因?yàn)殡娙荽鎯?chǔ)的電量為：

Q=C×V

兩邊對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)：

而即電容充放電產(chǎn)生的電流。圖2揭示了當(dāng)耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器上電和斷電時(shí)，隔直電容充放電電流在耳機(jī)負(fù)載上產(chǎn)生的電壓瞬變，由于該電壓瞬變的頻譜很寬，落在人耳可以的聽(tīng)到頻率范圍內(nèi)就形成了爆破音。

圖2  耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器上電和斷電時(shí)耳機(jī)上測(cè)到的電壓波形和頻譜

由于在依賴電池供電的手機(jī)等便攜式設(shè)備中，為了降低功耗，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，經(jīng)常需要在不需使用耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)將其關(guān)斷，因而爆破音將會(huì)是硬件工程師必須要面對(duì)的問(wèn)題。聰明的硬件工程師們發(fā)明了許多種膠合邏輯電路來(lái)消除由于電容瞬時(shí)充放電引起的爆破音，Maxim公司還生產(chǎn)了一顆專門用來(lái)消除耳機(jī)爆破音的膠合邏輯芯片MAX9890。考慮到隔直電容是產(chǎn)生耳機(jī)爆破音的元兇，因此從電路中去除隔直電容才是消除爆破音最根本的解決方案。

目前業(yè)界有兩種去除隔直電容的方案，第一種是耳機(jī)插座的公共回路不接地，而是接一個(gè)通常是耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源電壓一半的偏置電壓，這樣耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)相對(duì)該偏置電壓為正負(fù)對(duì)稱的電平，不再需要隔直電容。但這種方案存在一個(gè)隱患，如果耳機(jī)插座內(nèi)插入金屬異物導(dǎo)致公共回路對(duì)地短路，可能導(dǎo)致過(guò)熱產(chǎn)生危險(xiǎn)。

第二種去除隔直電容的方式是在單電源供電的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電源，該負(fù)電源通常采用內(nèi)部的反壓電荷泵產(chǎn)生，這樣的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上是采用的是的雙電源供電，其輸出信號(hào)是相對(duì)于GND正負(fù)對(duì)稱的，因此也不需要隔直電容，如圖3所示。

圖3  耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電源供電，輸出波形相對(duì)GND正負(fù)對(duì)稱

第二種方案對(duì)改善耳機(jī)爆破音的效果可以參見(jiàn)圖4所示，其中，左圖為使用隔直電容且單電源供電的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器上電瞬態(tài)過(guò)程，而右圖為內(nèi)部利用電荷泵產(chǎn)生負(fù)電源的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器上電瞬態(tài)過(guò)程(不再需要隔直電容)，可以看出，去掉了隔直電容后耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器上電對(duì)耳機(jī)上幾乎看不到什么影響。

圖4  去掉隔直電容對(duì)耳機(jī)爆破音的改善

去掉隔直電容除了能夠消除爆破音，另一個(gè)好處是耳機(jī)低頻輸出也得到了很大的改善，圖5所示為一個(gè)掃頻信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)電源的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器后的波形和經(jīng)過(guò)隔直電容后的波形對(duì)比。

圖5  由上至下依次為：掃頻信號(hào)輸入，內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)電源的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出，經(jīng)過(guò)隔直電容后的波形

關(guān)于耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器引起的TDMA噪聲

雖然業(yè)內(nèi)已有多家半導(dǎo)體公司可以提供利用電荷泵在芯片內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)電源，輸出不需要隔直電容的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器。但GSM手機(jī)硬件工程師在選擇耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)還需要多注意一個(gè)問(wèn)題，那就是TDMA噪聲。

由于目前的手機(jī)外形越來(lái)越小巧，PCB板面積被大大壓縮，在有限的板面積上有時(shí)還會(huì)集成藍(lán)牙，GPS，Wi-Fi等密集的射頻器件，GSM天線很有可能受到PCB的布局限制比較靠近耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

GSM的射頻PA工作時(shí)產(chǎn)生的217Hz Burst會(huì)通過(guò)天線耦合到耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，而217Hz的射頻Burst包絡(luò)被耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路解調(diào)后，在耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出就形成了所謂的TDMA噪聲。

耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路的不同設(shè)計(jì)導(dǎo)致其對(duì)射頻Burst的抗解調(diào)能力不同，圖6所示為Maxim公司一款內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)電壓的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器MAX9724和業(yè)界一款同類耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的對(duì)射頻信號(hào)的抗解調(diào)能力對(duì)比，從圖中可以看出，在850M/900M/1800M/1900M四個(gè)GSM頻段，MAX9724的抗射頻解調(diào)能力分別提高62dB/37dB/67dB/49dB。選用抗射頻解調(diào)能力強(qiáng)的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器除了能夠降低TDMA噪聲, 另外還會(huì)給PCB的射頻和音頻布局帶來(lái)非常大的靈活性。

圖6  Maxim公司的耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器MAX9724極大提升了抗射頻解調(diào)能力