摘要： 给出便携式电脑高品质音质的精巧电路。

关键词： 高品质音频;便携式电脑

无论是笔记本还是PDA,便携式电脑都只能为高品质音频提供苛刻的环境。噪杂的电源、有限的空间以及与数字电路共用的电源/地平面都对模拟、混合信号模块提出了实质性的要求。这些模拟模块提供了音乐回放、录音及其他功能。用户对高品质音频的期望还与电池寿命最大化产生了矛盾。高品质音频通常要求避免电路的频繁关断。

使高性能、低噪声的模拟电路与ASIC、处理器和DC-DC转换器并存是音频设计人员面临的挑战。譬如,试想一下典型音频回放链路中耳机驱动需要注意的事宜。

笔记本电脑的耳机输出必须用幅度范围1Vrms以内的信号来驱动一个低阻抗(一般为32W,有时为16W)负载,同时保证与源信号一样的动态范围。这看上去是件简单的事,但仔细研究就会发现这其实有不少苛刻的现实：
*在单电源供电的情况下,耳机输出要保持较大的动态范围。该电源通常和高速数字电路共用一个DC-DC转换器。
*在上述电路中若给定信号幅度和负载阻抗,则从电源吸入的电流峰值可达到90mA。
*在电源掉电或者关断耳机驱动时,要确保咔嗒声或者瞬间冲击不被人耳察觉。

电源噪声

要实现不错的信噪比,必须抑制耳机放大器输出的电源噪声效应。耳机驱动的电源噪声抑制能力至关重要。譬如,基于CD或者DVD的音频信号动态范围能超过90dB。假定某个100mV的噪声成分加在音频电源上,且噪声大部分的频谱成分都在音频带宽内,必须将耳机输出端的噪声降低至30mV来保证90dB的动态范围。所以耳机驱动在该频段的PSRR必须要大于70dB。

为了在音频频段实现高的电源噪声抑制,必须要仔细考虑设计方案,特别要注意放大器在该频段的电源噪声抑制。粗略查看一下大多数运放,我们会发现PSRR在低频段都会很高,但随着频率增加而急剧下降(通常为-20dB/10倍频)。在20kHz的时候,一些运放的PSRR甚至已经低于40dB。

一些DC-DC转换器会在音频频谱段的高端产生较高的噪声成分。虽然这些噪声基本无法听到,但在耳机输出端依然可以测量到的。值得注意的是,大部分拥有内置耳机驱动的音频DAC(或者CODEC)数据手册很少提示读者关注PSRR参数。即使注明了该参数,也只是一个简单的电子参数,而不会给出PSRR的频率曲线。

因为大部分耳机放大器缺少足够的PSRR,你可以外加一个LDO来净化耳机放大器的电源。为了给笔记本电脑的音频输出提供足够的电源噪声抑制能力,譬如,当还是用公用的+5V给音频电路供电时,特定的一些电路供电通常被调整到了4.7V附近。

MAX4298/MAX4299(超高PSRR立体声驱动)通过对内部的关键电路节点进行内部调整的方法将PSRR提高到一般标准之上。这样,PSRR在1KHz时可达100dB,从而不再需要外加LDO(图1)。

图1  在MAX4298典型应用中,要注意220mF交流耦合电容去掉了将要加在耳机上的直流成分。可选元件可控制掉电的瞬间冲击幅度。

咔嗒声和噼啪声抑制

咔嗒和噼啪声抑制通常是描述在静音或者上、下电时,芯片减小瞬间冲击的能力。如果没有下行电路用静音来掩盖产生的畸变成分,单在输出驱动上我们很难实现这一功能。比如插入耳机,在音频系统中都会不可避免的产生瞬间冲击现象。

耳机驱动通常都是单电源供电,且需要通过一个很大的电容交流耦合到耳机插孔,如图2。这样可以防止直流成分通过耳机,因为直流成分有可能损坏耳机。由于电容近耳机端是地电平,且放大器输出是中间电平偏置,所以在隔直电容上有电压存在。当上电时,电容会充电至自身的工作电压,这样就会有充电电流流过负载(耳机线圈)。如何才能阻止充电电流产生耳机噪声呢？

图2  该电路是单电源供电耳机驱动的常规设计,其中串联电容和耳机本身阻抗构成了高通滤波器(需要阻止直流成分通过耳机)

一些设计通过放在放大器输出周边的场效应管和分立元件来抑制充电电流。另外,也可以通过控制RC时间常数来减缓开启的过渡过程,从而利用降低干扰的频率成分来减少噪声。目前至少有一个产品使用了背对背指数上升(S形曲线)来进一步抑制上电引起的“噼啪”声。和RC指数方法不太一样,这种S形曲线不会产生dV/dt的突然变化。

掉电的瞬间冲击是更难处理的问题。在没有电源供电的情况下,放大器如何控制输出端电容放电呢？一种解决方案是给耳机驱动提供待机电源,该电源包括一个在正常供电阶段已充电的电容。这样就可以使放大器在主电源掉电后,有足够的能量来逐渐关机。图1的芯片已使用该技术,产生的波形如图3。

图3  这些波形给出了图1电路在上电VCC (t =0s)和掉电(t =2s)的状态。请注意,MAX4298输出端(红色曲线)的S形转变在负载上(蓝色曲线)产生了平缓和受限的输出分布。受控的输出把上电瞬间冲击限制到人耳不敏感的亚音频频率。

如图3所示,外加几个元件可以使MAX4298实现可控且平缓的掉电瞬间冲击,它和上电的瞬间冲击是互为镜像的。该方案使用了辅助VCC脚(SVCC)。当VCC供电时,一个外加的肖特基二极管给储能电容充电;当系统掉电时,MAX4298工作如下：
*音频静音;
*立体声放大器切换到低静态电流模式,且从SVCC引脚取电;
*输出偏置电压沿S形曲线逐级降至地电平,所以消除了dV/dt的突然变化,和上电波形镜像;
*储能电容最后放电,由于输出电平是地电平,所以当SVCC电源缓慢耗尽时输出冲击可以忽略。

不同的解决方案

上述的方案为了满足上述一个小特性就需要花费很多力气(以及外加元件),但市场部门并不太认可。一种理想的方案就是完全去掉输出电容,从而消除由于充、放电在耳机线圈上产生的效应。如果放大器是双电源供电,那么输出偏置就是零电平,这样就可以用直流耦合来完全去掉隔直电容。

假定大部分电池供电设计都有单电源供电的限制,设计人员可以有几种选择。一种是用第三个放大器去偏置耳机,使之回到中间电平,从而产生一个“伪0V”输出偏置。因为主流的立体声放大器也都偏置在中间电平,所以直流耦合电容可以去掉。但是,第三个放大器必须能够从两个主放大器端吸入和供给电流,而且还要能承受耳机座带来的静电放电(耳机插座必须和底板地隔离)。

另一种方案是由正电源产生一个专用的负电压,或者使用能方便的自己产生负电压的器件(图4)。这种方案抛开了静电和接地问题,额外的电压空间使输出电压的峰－峰值变成了原来的两倍。这对+3V供电的设计是十分有利的。

图4. 为了给放大器提供双电源,芯片内置的电荷泵要反转正电压。因为不再需要串联电容,所以电荷泵所需要的小陶瓷电容可以最大可能的减小了PCB面积。

MAX4410耳机放大器通过正电源引脚,在芯片内部产生自己的负电压。因为放大器的直流输出偏置是0V,所以不再需要输出电容。一个内置的闭塞电路避免了由于供电电压过低或者上、下电过程中产生的伪操作。因而,消除了咔嗒和噼啪声。因为放大器输出电压摆幅是单电源的两倍,所以另一个优势就是获得了更多的信号空间和更大的输出能量。

更多的困难

一个产品发布前,在试验平台上的设计通常会有很多妥协。譬如,静电要求就需要在耳机驱动和插座之间加入铁氧体磁珠或者其他EMC手段。这些元件在音频频段会有明显的阻抗,因此会引入串扰和造成输出能量的损失。仔细的设计和使用凯尔文检测法能尽可能的恢复音频性能。
从耳机回流的电流同样要认真对待。对于100mA的电流,有限阻抗的地平面或者PCB走线会导致很大的阻性压降。当与DC-DC转换器共用地时,类似的机制会降低SNR。专用的回路以及铺铜会有所帮助。

一个数字的未来？

除非数字输入耳机开始普及,否则驱动插座式的耳机电路仍将是模拟电路。未来会属于数字的吗？虽然为了保持效率和减小EMI,滤波元件不可缺少,但Class D设计的确能保持数字音频通路至放大器输出。由于PSRR和咔嗒和噼啪声抑制依旧会降低音频性能,所以模拟硬件设计工程师在相当长的一段时间内仍有用武之地。

参考文献：

1. Maxim公司,MAX4298数据手册
2. Maxim公司,MAX4410数据手册
3. 低噪声音频供电电路,http://www.maxim-ic.com.cn/appnotes.cfm/an pk/899