功放POP noise.doc
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POP”噪 声 是 指 音 频 器 件 在 上 电 、 断 电 瞬 间 以 及 上 电 稳 定 后 ， 各 种 操 作 带 来 的 瞬 态 冲 击 所 产 生 的 爆破 声 本 文 将 讨 论 几 种 常 用 的 解 决 方 法 及 其 工 作 原 理 ， 这 些 方 法 针 对 具 体 的 集 成 电 路 具 有 各 自 特 点 ，应 用 时 需 要 根 据 实 际 情 况 综 合 考 虑 图 1：单端模式与桥式模式输出电路示意图本 文 提 到 的 音 频 系 统 是 指 音 频 半 导 体 器 件 ， 包 括 音 频 数 模 转 换 器 、 模 数 转 换 器 、 音 频 放 大 器 等 的 应用 系 统 产 生 “POP”噪 声 的 瞬 态 冲 击 通 常 是 一 种 很 窄 的 尖 脉 冲 ， 用 傅 立 叶 分 析 展 开 后 ， 其 频 谱 分 量很 丰 富 ， 且 在 频 域 内 的 能 量 分 布 相 对 平 均 本 文 下 面 讨 论 的 几 种 “POP”噪 声 解 决 方 法 的 目 的 ， 就 是要 降 低 20Hz~20kHz 范 围 内 的 谐 波 分 量 。
对 绝 大 多 数 人 而 言 ， 如 果 信 号 的 峰 峰 值 电 压 小 于10mV， 就 已 经 听 不 见 了 桥 式 (BTL)输 出 与 单 端 (SE)输 出 图 2：桥式模式与单端模式输出的 “POP”噪声桥 式 结 构 输 出 相 对 单 端 模 式 输 出 而 言 有 很 多 优 点 ， 比 如 桥 式 模 式 可 在 相 同 的 电 源 电 压 Vdd 条 件 下 ，输 出 较 高 的 电 压 VOBTL＝ 2*VOSE， 在 相 同 的 负 载 条 件 下 输 出 更 大 的 功 率 图 1 为 这 两 种 输 出 电 路 的示 意 图 需 要 指 出 的 是 ， 桥 式 模 式 能 有 效 抑 制 共 模 噪 声 输 出 功 率 相 同 时 ， 桥 式 模 式 的 噪 声 明 显 小 于 单 端 模式 的 噪 声 (如 图 2 所 示 ， 蓝 色 通 道 接 负 载 两 端 ， 绿 色 通 道 接 电 源 Vdd) 这 是 因 为 相 同 的 冲 击 会 同 时出 现 在 桥 式 输 出 结 构 的 “＋ ”、 “－ ”两 端 ， 并 通 过 负 载 后 相 互 抵 消 ， 不 对 扬 声 器 做 功 ， 因 而 不 会 发 出“POP”声 。
这 种 结 构 对 于 上 电 、 掉 电 噪 声 以 及 操 作 噪 声 都 有 很 好 的 抑 制 作 用 图 3：桥式结构的两种电路形式常 见 的 桥 式 结 构 有 两 种 ， 它 们 对 抑 制 “POP”声 的 能 力 有 细 微 差 别 图 3 左 边 的 电 路 是 两 个 放 大 单 元并 联 连 接 ， 同 一 个 输 入 信 号 分 别 进 入 两 个 放 大 单 元 AMP1、 AMP2 的 “＋ ”、 “－ ”输 入 端 ， 而 且 使 它们 的 放 大 倍 数 保 持 相 同 、 相 位 保 持 相 反 (相 差 180 度 ) 在 这 里 ， AMP1 单 元 网 络 的 增 益 GAINUP＝ -R9/R8＝ -2， AMP2 单 元 网 络 的 增 益 GAINDOWN＝ 1＋ R11/R12＝ 2 单 个 电 阻 的 精 度 误 差 通 常 为±30%， 但 在 同 一 个 芯 片 内 ， 这 种 偏 差 朝 同 一 个 方 向 ， 如 果 设 计 恰 当 ， 电 阻 比 值 的 精 度 可 以 保 证 在±1%以 内 AMP1、 AMP2 的 DC 参 数 也 同 样 朝 同 一 个 方 向 偏 差 ， 所 以 在 “＋ ”、 “－ ”输 出 端 可 以 很 好地 抵 消 共 模 信 号 。
图 4： OCL 输出结构图 3 右 边 的 电 路 则 采 用 级 联 形 式 ， 前 一 级 的 输 出 信 号 进 入 下 一 级 的 “－ ”输 入 端 ， AMP4 单 元 网 络 的增 益 GAINBACK＝ -R14/R13＝ -1 事 实 上 ， AMP3 的 输 出 经 过 AMP4 反 向 后 会 有 一 定 的 延 时 ， 在“＋ ”、 “－ ”输 出 端 并 不 能 完 全 抵 消 AMP3 的 失 调 电 压 等 支 流 误 差 信 号 会 在 AMP4 中 复 制 ， 并 与AMP4 的 失 调 电 压 一 起 送 到 “＋ ”端 ， 而 无 法 与 “－ ”端 完 全 抵 消 因 此 这 种 结 构 抑 制 “POP”声 的 效 果略 差 一 些 ， 通 常 用 在 小 功 率 器 件 中 除 此 之 外 ， 还 有 一 种 结 构 也 能 有 效 抑 制 共 模 噪 声 ， 那 就 是 无 输 出 耦 合 电 容 (OCL)结 构 (见 图 4) 该结 构 与 桥 式 结 构 非 常 类 似 ， 在 输 出 端 将 直 流 共 模 电 压 抵 消 掉 ， 只 有 交 流 信 号 对 负 载 作 功 。
与 桥 式 结构 一 样 ， OCL 结 构 由 于 省 去 了 耦 合 电 容 ， 可 给 音 频 系 统 带 来 另 外 一 个 好 处 ， 即 系 统 的 频 率 响 应 可 以延 伸 到 很 低 的 范 围 ， 后 面 将 对 此 作 详 细 介 绍 增 大 VBIAS的 滤 波 电 容 图 5：单端模式电路的 “POP”噪声与 Vbias 电压的仿真波形音 频 集 成 电 路 通 常 都 有 一 个 管 脚 叫 做 Vbias， 或 者 Vref、 Vmid、 Vsvr、 bypass 等 ， 它 是 内 部 直 流基 准 电 压 ， 若 要 内 部 电 路 能 工 作 ， 这 个 偏 置 电 压 必 须 建 立 起 来 实 际 应 用 时 ， 该 管 脚 通 常 外 接 一 个旁 路 电 解 电 容 到 地 ， 该 电 容 起 滤 除 噪 声 的 作 用 对 于 使 用 正 电 压 的 单 电 源 系 统 来 说 ， 当 系 统 工 作 稳定 时 ， 基 准 电 压 值 约 等 于 Vdd/2 增 大 这 个 电 容 的 容 值 能 抑 制 “POP”噪 声 当 芯 片 上 电 或 从 待 机 状态 切 换 到 工 作 状 态 时 ， 直 流 偏 置 电 压 开 始 建 立 ， 从 0 逐 渐 升 高 ， 并 对 Vbias 滤 波 电 容 充 电 。
经 过 一定 时 间 后 ， 电 压 上 升 到 Vdd/2， 此 时 芯 片 就 可 以 工 作 了 ， 输 出 的 音 频 信 号 基 于 这 个 直 流 电 压 上 下 摆动 同 样 ， 当 芯 片 掉 电 或 进 入 待 机 状 态 时 ， 滤 波 电 容 放 电 ， 偏 置 电 压 开 始 下 降 ， 从 Vdd/2 下 降 到0 实 验 证 明 ， 芯 片 上 电 、 掉 电 时 的 “POP”声 就 是 由 偏 置 电 压 的 瞬 间 跳 变 引 起 的 图 5 是 仿 真 结 果 ， 红 线 代 表 Vbias 电 压 ， 蓝 线 代 表 单 端 模 式 的 负 载 端 输 出 (在 耦 合 电 容 之 后 ， 如 图1 的 左 边 电 路 ， Co＝ 220uF， RL＝ 16Ω） 如 果 Vbias 跳 变 得 缓 慢 ， “POP”冲 击 就 会 减 小 (如 图 6所 示 )， 此 时 的 冲 击 脉 冲 变 宽 ， 幅 度 有 所 下 降 ， “POP”声 也 变 小 了 使 Vbias 的 上 升 、 下 降 过 程 变缓 ， 就 可 增 加 基 准 电 压 的 跳 变 延 时 。
假 定 滤 波 电 容 的 充 放 电 电 流 是 个 常 数 ， 可 把 这 个 过 程 简 化 成 一阶 RC 模 型 ， 根 据 公 式 (1)， 可 计 算 出 电 压 从 0 上 升 到 Vbias/2， 或 者 从 Vbias/2 下 降 到 0 所 需 的 时间 tdalay＝ 0.69*R*C (1) 图 6： Vbias 跳变变缓后， “POP”噪声的仿真波形因 此 ， 增 大 Vbias 的 滤 波 电 容 可 以 减 缓 直 流 基 准 电 压 的 上 升 、 下 降 速 度 ， 起 到 减 少 “POP”噪 声 的 作用 图 7 是 增 大 电 容 后 ， 基 准 电 压 跳 变 变 缓 的 效 果 ， 其 中 红 线 代 表 电 源 电 压 Vdd， 蓝 线 代 表 Vbias电 压 (假 设 Vdd＝ 5.0V， Vbias＝ 2.5V) 有 些 音 频 芯 片 集 成 了 一 个 固 定 的 延 时 电 路 单 元 ， 上 电 后 需 要 经 过 一 段 固 定 延 时 ， Vbias 才 开 始 缓 慢上 升 到 稳 定 状 态 ， 此 时 从 低 电 压 到 高 电 压 的 上 升 延 时 时 间 为 tpLH。
当 芯 片 掉 电 时 ， 集 成 电 路 的 实现 方 式 使 其 很 难 再 延 时 一 段 时 间 才 开 始 下 降 ， 但 是 仍 可 以 增 大 从 高 电 压 到 低 电 压 的 下 降 延 时 时 间tpHL， 以 达 到 更 好 的 抑 制 效 果 ， 此 时 只 需 使 放 电 时 的 等 效 电 阻 大 于 充 电 时 的 等 效 电 阻 即 可 图 8显 示 了 MAX9890 的 Vbias 变 化 时 序 图 7：耦合电容不同时的 “POP”冲击波形tpLH＝ 0.69*Rcharge*CBIAS (2) tpHL＝ 0.69*Rdischarge*CBIAS (3) 需 要 注 意 的 是 ， 滤 波 电 容 过 大 会 使 芯 片 的 建 立 时 间 变 长 ， 使 人 感 觉 声 音 “久 久 ”没 有 输 出 另 外 ， 电容 过 大 还 会 使 音 频 系 统 的 重 要 指 标 ——总 谐 波 失 真 ＋ 噪 声 (THD＋ N)变 差 这 里 不 解 释 详 细 原 因 ，取 值 时 请 参 考 相 应 的 数 据 手 册 并 进 行 折 衷 选 择 。
减 小 输 出 端 的 耦 合 电 容 对 于 单 端 的 输 出 结 构 ， 在 单 电 源 系 统 中 通 常 需 要 接 一 个 电 容 (如 图 1 所 示 ) 这 个 电 容 的 作 用 是 ： (1)隔 断 直 流 基 准 电 压 Vbias 如 果 没 有 隔 直 ， 直 流 电 压 会 直 接 流 过 后 面 的 扬 声 器 线 圈 ， 使 纸 盆 平 衡 位置 偏 向 一 端 ， 若 Vbias 过 大 还 可 能 损 坏 线 圈 (2)耦 合 交 流 音 频 信 号 它 与 扬 声 器 负 载 构 成 了 一 阶 高通 滤 波 器 (HPF)， 根 据 公 式 (4)， 电 容 的 大 小 与 低 频 处 的 截 止 频 率 fc 有 关 fc＝ 1/(2π*RL*Co) (4) 图 8： MAX9890 的 Vbias 变化时序电 容 Co 越 大 ， 截 止 频 率 fc 则 越 低 ， 这 意 味 着 更 低 的 频 率 也 可 耦 合 到 负 载 上 去 (见 图 9) 减 小 Co 的 容 值 可 使 “POP”冲 击 的 幅 度 变 小 、 脉 冲 宽 度 变 窄 。
由 于 “POP”冲 击 的 频 谱 能 量 大 都 在 高频 ， 减 小 Co 的 容 值 同 样 可 以 减 少 可 闻 噪 声 图 10 显 示 了 电 容 C。
