消除音频输出端的喀嗒声方法

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喀嗒声指恼人的音频瞬态噪声，在耳机放大器打开或关闭时由耳机产生。通过去掉传统耳机放大器输出端的隔直电容，美信公司的DirectDrive专利技术可去除喀嗒声，同时提供更好的低频响应。本文先阐述DirectDrive原理，如何工作以及带来的优点。然后介绍一个在手机等便携设备上已验证的去除耳机喀嗒声的方法。

便携音频产品的差异化一直是个热门话题。什么特点能让产品A相比竞争产品B更出色？通常的音频指标（频响平坦度、总谐波失真加噪声值等）都如此相似以至于难分胜负。用户界面当然是有明显差异，但这往往带有太多的主观性。我们希望有一个客观的音频指标，它可以帮助产品脱颖而出。

耳机打开或关闭时的喀嗒声就是一个重要且客观的音频指标。随着人们对音频性能的期望越来越高，去瞬态噪声处理已逐渐成为便携音频产品的一个关键卖点。

传统耳机放大器

在便携音频系统中，电源管理对延长电池使用时间很重要，所以很多功能模块在不使用时经常被关闭。这种设计思路使得音频喀嗒声更容易出现。理想器件在打开或者关闭时没有音频输出，但实际音频放大器总是会或多或少的产生喀嗒声。

大部分由电池供电的传统耳机放大器都是单电源供电，它们工作在正电压和地之间。这些放大器只能通过正信号，而放大器输入的音频信号则有正有负。所以，放大器必须加入直流偏置才能接受音频信号。为了获得最大的信号摆幅，直流偏置点一般都设定为供电电压的一半（图1）。





图1. DirectDrive放大器的输出波形和传统耳机放大器的输出波形对比

虽然放大器需要直流偏置，但耳机却只接受交流信号。将直流偏置加到耳机上，耳机动圈会从中间位置移至最边界。这意味着耳机输出的声压将出现失真。同时，消耗在耳机线圈的直流信号造成了能量损失和不必要的热。在极端情况下，这些热可能会永久性损坏耳机。

传统音频系统包括隔直电容，它可以阻止直流偏置进入耳机。该电容和阻性负载组成了高通滤波器。因为传统耳机的等效阻抗为32?，隔直电容必须足够大才不会阻止音频通过：




为了让低至20Hz的音频通过，我们要使用至少250uF的电容。如果耳机阻抗为16?，那么我们将需要至少500uF的隔直电容。

某些系统可能有足够空间来使用相对便宜的铝电解电容，但大部分便携设备无法做到。因而，我们必须使用昂贵的钽电容，即使这样钽电容仍然需要相当的板上空间。我们也可以使用较小容值的电容来节约空间和成本，但无法保证低至20Hz的平坦频响曲线（图2）。





图2. 16?耳机放大器的频响曲线

“无偏置”技术介绍

包括美信在内的一些公司开发了不需要直流偏置的耳机放大器（该电路在美信的专利为DirectDrive，本文称为无偏置）。虽然无偏置耳机放大器由单电源供电，它仍然能通过正、负信号。负摆幅由板载电荷泵产生的负电源实现，该负电源可以跟踪相应正电源的幅度。这样，放大器就成为了零偏置（图1）。

无偏置设计中的电荷泵只需要两个很小的外部陶瓷电容：一个飞跨电容和一个保持电容。一般，它们的容值为1uF，体积为0402（0.4×0.2mm）。因而，相比包含220uF大电容的传统耳机放大器电路，无偏置设计在提供卓越性能的同时还节省了空间。
走近“喀嗒声”

现在，我们从电气角度来分析喀嗒声。在传统耳机放大器中，输出电容在放大器打开时会充电，在关闭时会放电。因为电容的电荷将流过耳机，所以充、放电过程将产生恼人的喀嗒声。图3为喀嗒声的等效电路，Vcc/2电源代表耳机放大器输出端的直流偏置。





图3. 喀嗒声的等效电路，C1代表隔直电容，R1代表耳机负载

S1和S2不能同时打开或者关闭，它们用来模拟耳机放大器的打开和关闭：
(a) S1断开，S2闭合:





(b) S1闭合，S2断开:
　　　　　　　　　


(c) S1再次断开，S2再次闭合:
　　　　　

　　　　　　　　　

图4
图4中的黄色波形描述了喀嗒声。 图4. 喀嗒声的理论波形。
                          
                       
                          
                                已验证方案

2008年全球生产了超过4亿支手机，很多用户都抱怨手机的音频质量。为什么？因为设计师只有两种选择：

要么使用大的隔直电容来获得较好的低频响应，但用户得忍受打开或关闭耳机时产生的喀嗒声。要么通过使用较小的隔直电容来减小喀嗒声，但用户无法欣赏200Hz以下的低音。音频工程师努力通过软启动或者电容充、放电方法来解决这个难题，但效果始终不理想。

我们为什么不尝试下全新的方案呢？

新一代立体声耳机放大器MAX9724包含专利电路，它可通过单电源来产生零偏置音频输出。由于不需要大的隔直电容，此方案可节省成本、空间和器件高度。下面，我们通过一个简单的测试来比较QSC60xx的喀嗒声和使用DirectDrive电路后的效果（图5）。QSC60xx是CDMA手机的主流基带芯片，像很多其它基带或音频编解码芯片一样，它集成了耳机输出功能。



图5
图5. 测试对比了两种处理喀嗒声的效果。左声道是QSC60xx的原始设计，右声道是美信MAX9724耳机放大器。音频测试信号为1kHz正弦波。

当你插入耳机，QSC60xx在没有音频输入的情况下首先打开耳机放大器（图6的黄色波形的上升沿），然后在40-50ms后给耳机放大器输入1kHz正弦波（图6的黄色波形的正弦波部分）。



图6
图6. 耳机放大器第一次打开时对比试验波形。紫色波形表示了图5的耳机放大器打开时产生的喀嗒声

当QSC60xx打开耳机放大器时，图6的紫色脉冲就是恼人的喀嗒声。如果MAX9724在喀嗒声之前就已经打开，那么它将放大这些喀嗒声（即使MAX9724自身不产生喀嗒声）。为了解决这个问题，我们在QSC60xx打开耳机放大器之后的20-30ms再打开MAX9724。结果，这样就可以获得完全没有喀嗒声的开机波形（图6的绿色波形）。

这里，需要注意两点：

1. 当我们打开MAX9724时，它自身不产生喀嗒声（详见图6的红色和绿色波形）
2. 必须在喀嗒声过后再打开MAX9724。不然，无偏置放大器会把喀嗒声做信号放大。这就是一些设计即使使用了MAX9724，仍然听到放大了的喀嗒声的原因。