音频杂讯和破音的表征与解决之道

liyf

　音频杂讯和破音(click and pop)是扬声器或耳机产生的不良噪声。它是由注入扬声器线圈的瞬态电流脉冲引起的，该电流瞬间移动进出扬声器纸盆就造成了杂讯和破音。杂讯和破音可能使人的耳朵感到不愉快和厌烦。当音源上电或掉电(powering up or down)，或当音频信号减弱或被不同负载复用时，就会产生杂讯和破音。这些情况产生的瞬态脉冲通过扬声器负载放电，从而造成一种不良的杂讯和破音。
　　杂讯和破音的来源
　　杂讯和破音瞬变的一些常见原因是：电源瞬变;DC输入瞬变;音频驱动器偏移电压。
　　1. 电源瞬变
　　当音频元件的DC电源转换开(ON)关(OFF)时，由于变化的电源电压转换速率(slew rate)的缘故，扬声器或耳机的电压可能出现反跳(bounce)。尽管电源旁路(by-pass)电容有助于减少一个元件电源引脚上的噪声尖峰，如图1所示的建立在V+引脚的低通滤波器(LPF)之上的一项技术，可以进一步减少电源引脚的瞬变。



　　在IC的Vbattery电源引脚和V+引脚之间放上一个串联电阻RSeries，就构成了一个带有去耦电容Cin 的低通滤波器(LPF)。由于Intersil的音频开关IC消耗的电源电流≤10μA，这个解决方案很有效，在大小适当时，可以使串联电阻两端的电压降忽略不计。这个LPF可将DC电压的快转换速率瞬变转换成IC电源引脚上较慢的指数斜率。较慢的斜坡电压可以最大限度地减少电源的开关瞬变，同时消除开关输出端所有的注入电荷，这些电荷会导致负载上的杂讯和破音。
　　2. DC输入瞬变
　　图2显示了一个简化布局的驱动一个32Ω耳机的单电源音频放大器，它广泛用于许多便携式媒体播放器。音频放大器的输出信号DC偏置在系统电源电压的一半，允许在正负方向的完整的音频信号摆幅。220μF隔直流(DC blocking)电容可消除耳机负载的DC偏置。220μF电容和32Ω负载阻抗构成了一个有22Hz转角频率的高通滤波器(HPF)，可覆盖整个音频带宽。






　　图3显示了随着音频放大器的上电和掉电在耳机上出现的瞬态电压波形。当音频放大器在DC偏置上电(退出休眠模式)或掉电(进入休眠模式)时，由于电容器的dv/dt的原理，电容的VLoad节点会出现一个瞬间电压变化。由于负载存在一个对地的DC路径，使电容放电回到0V。负载两端突然的DC电压变化可导致扬声器纸盆随瞬态脉冲电流运动，而出现杂讯和破音。
                          
                       
                          
                               
　　3. 音频驱动器DC偏置电压




　　图4显示了一个不需要隔直流电容的音频驱动器输出级的应用，因为这里没有DC偏差电压。这个应用通常使用有负摆幅能力的双电源音频驱动器或单电源音频驱动器。音频驱动器的运算放大器(op-amp)可以有范围在±10mV至±20mV的DC偏置电压。由于没有使用隔直流电容，当开关打开时，这个偏置电压直接与扬声器负载耦合(或在关闭时去耦)。这个偏移电压可以大到足以导致扬声器出现杂讯或破音。
杂讯和破音的表征

到目前为止，重点一直是在杂讯和破音的来源。在这一节给出了杂讯和破音瞬变的波形。表征了在一个正常（典型、环境）聆听环境中加载的各种前置放大器（pre-amp）、扬声器和耳机表现出来的杂讯和破音瞬变。完成这次测试的扬声器距离听众的耳朵6英寸，并有一个正常应用的耳机戴在耳朵上。下面的结果表明，杂讯和破音是在以下共有条件下在负载上产生的结果：

对于一个32W耳机：

1. 脉冲转换速率超过6.35V/s。
2. 脉冲宽度超过0.6μs。
3. 脉冲幅度超过2mV。

对于一个10kW输入阻抗的前置放大器，设置增益为10来驱动4W扬声器：

1. 脉冲转换速率超过25V/s。
2. 脉冲宽度超过0.6μs。
3. 脉冲幅度超过10mV。

对于一个20kW输入阻抗前置放大器，设置增益为10来驱动8W扬声器：

1. 脉冲转换速率超过20V/s。
2. 脉冲宽度超过0.6μs。
3. 脉冲幅度超过10mV。

通过将瞬态脉冲的转换速率、宽度或幅度减少到低于上述阈值，就可以将杂讯和破音降低到听不到的水平。Intersil公司开发了一个消除不同负载杂讯和破音的标准。该标准见表1。然而，杂讯和破音的可听度是非常主观的，它取决于这样一些因素，如：扬声器的灵敏度、耳朵敏感性，以及聆听环境的环境噪声量。因此，表1只作为一项准则，并不代表可以绝对消除杂讯和破音。

表1：为消除杂讯和破音推荐的条件

负载
            
            
            增益
            
            
            脉冲转换速率
            
            
            脉冲持续时间
            
            
            脉冲幅度
            
        
        
            
            32W耳机
            
            
            单位
            
            
            ≤5V/s
            
            
            ≤0.5μs
            
            
            ≤1mV
            
        
        
            
            10kW前置放大器 – 4W扬声器
            
            
            
            10
            
            
            ≤10V/s
            
            
            ≤0.5μs
            
            
            ≤5mV
            
        
        
            
            20kW前置放大器–8W扬声器
            
            
            
            10
            
            
            ≤10V/s
            
            
            ≤0.5μs
            
            
            ≤5mV
            
        

重要的是要注意，在脉冲持续时间超过大约10ms时，“杂讯”或“破音”会出现在每一个脉冲转换（即上升或下降）。对于0.6μs到10ms范围的瞬态脉冲宽度，“杂讯”和“破音”的出现如此接近，以致声音的出现被认为是异口同声。如表1所示，脉冲幅度的减少必须消除杂讯和破音，表现为db并基于50％音频放大器电源电压偏置的瞬态脉冲幅度，如下面的表2所示：

表2：脉冲幅度减少

表2：脉冲幅度减少

电源电压
            （V）
            
            
            32W耳机
            （db）
            
            
            10kW前置放大器 –
            4 W扬声器
            （db）
            
            
            20kW前置放大器 － 8 W扬声器
            （db）
            
        
        
            
            1.8
            
            
            ≥65.1
            
            
            ≥51.1
            
            
            ≥51.1
            
        
        
            
            2.5
            
            
            ≥68.0
            
            
            ≥54.0
            
            
            ≥54.0
            
        
        
            
            3
            
            
            ≥69.5
            
            
            ≥55.6
            
            
            ≥55.6
            
        
        
            
            5
            
            
            ≥74.0
            
            
            ≥60.0
            
            
            ≥60.0
            
        

Intersil减少杂讯和破音的技术

Intersil公司在Switch/MUX产品线中采用了不同的技术来消除杂讯和破音。选择使用哪种技术是由一个必要的隔直流电容决定的。下面一节描述了以Intersil的模拟开关实现的两种技术。
                          
                       
                          
                               

1. 杂讯和破音分流网络

单电源负信号摆幅设计能够模拟开关，允许音频输入信号达到地电位以下。这种设计的一个好处是，隔直流电容可以放在音频驱动器与开关之间，而不是放在开关和负载之间。采用此配置的对地低阻抗分流电阻可以集成进开关，在音频驱动器开或关时对隔直流电容放电。例如，当从关闭状态进入上电状态时，SPDT开关采用如图5所示的配置。当出现音频驱动器电源电压时，分流电阻放电，开关输入节点回到地电位。假设一个合适的RC时间延迟将开关输入放电到0V，那么该开关就可以连接到32W负载，而不出现杂讯和破音瞬变。




图5：采用分流网络的模拟开关
（图字：SPDT开关，32W耳机）

图6显示了具有杂讯和破音分流电路禁用功能的ISL54406的输入和输出波形。当音频驱动器打开，两端的隔直流电容器上的瞬态电压直接与开关输出耦合。可看到扬声器对DC瞬态放电在开关输入，从而引起杂讯和破音。

图7中的杂讯和破音分流电路采用了ISL54406。100ms的延迟时间可以在开关打开将音频驱动器连接到扬声器负载之前，将开关输入完全放电到0V。当开关在时间延迟之后打开时，可以看出负载上的瞬态电压可忽略不计，从而消除了杂讯和破音。




图6：具有杂讯和破音禁用功能的ISL54406

（图字：音频驱动器DC偏压，开关输入波形，开关输出波形，ISL54406具有杂讯和破音禁用功能）





图7：具有杂讯和破音功能的ISL54406
（图字：ISL54406具有杂讯和破音功能，100ms延迟，开关逻辑，音频驱动器DC偏压，开关输入波形，开关输出波形）

                          
                       
                          
                               

2. 软启动开关

在便携式应用中，减小尺寸是重中之重，在地电位以下摆动的单电源音频驱动器可用来省去隔直流电容。不需要隔直流电容的音频驱动器仍会受杂讯和破音问题的影响，因为音频驱动器运算放大器的DC偏移电压范围为±10mV至±20mV。如果没有一个电容来消除DC偏移电压，在开关切换时，开关将会把偏移耦合到负载。

这个问题的解决办法是逐步将开关OFF电阻提升到开关ON电阻，使负载电压的转换速率（V/s）足够慢，以不致引起杂讯和破音。当通过调制开关导通时间（on time）打开开关时，软启动开关可以渐进减小开关电阻。渐进的电阻变化可以在电源开启时在负载上建立一个时变（time varying）电压分压器。在负载上，表1给出的满足的转换速率可以消除由于DC偏移电压引起的杂讯和破音。

图8突出显示了集成了软启动开关的ISL54405器件。一个外部软起动电容可用来改变开关的开启时间，限制开关输出转换速率。图9和图10显示了具有软启动禁用功能的ISL54405器件。利用开关输入端20mV的DC信号，开启开关产生一个输出，将转换速率提升至1000V/s以上。图11显示了具有软启动开启功能ISL54405器件。利用软启动功能，现在开关输出的转换速率不到5V/s，这符合杂讯和破音消除标准，见表1。





图8：采用软启动电容器的ISL54405器件
（图字：5V电源，3V电源，软启动，软启动电容，杂讯和破音和逻辑控制，音频编解码器1，音频编解码器2）





图9：具有软启动禁用功能的ISL54405（第一部分）
（图字：MUTE信号，20mV偏移开关输入，开关输出，ISL54405器件软启动禁用）





图10：软启动与禁用功能的ISL54405（第2部分）
（图字：MUTE信号，20mV偏移开关输入，开关输出，ISL54405器件软启动禁用，转换速率＝1550V/μs）





图11：具有软启动开启功能的ISL54405
（图字：MUTE信号，20mV偏移开关输入，开关输出，ISL54405器件软启动开启，转换速率＝3.5V/μs）

结论

杂讯和破音会对音频应用产生是不良影响，有一些技术可用来消除这种瞬变。如果减少了杂讯和破音瞬变的特性，就可以消除杂讯和破音，这样就可以符合表1中给出的标准。集成了杂讯和破音消除功能的Intersil模拟开关的推出可以实现高性能的音频信号路由，同时尽量减少电路板的空间和功耗。