如何消除音頻輸出端的喀嗒聲

喀嗒聲指惱人的音頻瞬態(tài)噪聲，在耳機(jī)放大器打開或關(guān)閉時(shí)由耳機(jī)產(chǎn)生。通過(guò)去掉傳統(tǒng)耳機(jī)放大器輸出端的隔直電容，美信公司的DirectDrive專利技術(shù)可去除喀嗒聲，同時(shí)提供更好的低頻響應(yīng)。本文先闡述DirectDrive原理，如何工作以及帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。然后介紹一個(gè)在手機(jī)等便攜設(shè)備上已驗(yàn)證的去除耳機(jī)喀嗒聲的方法。

便攜音頻產(chǎn)品的差異化一直是個(gè)熱門話題。什么特點(diǎn)能讓產(chǎn)品A相比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品B更出色？通常的音頻指標(biāo)（頻響平坦度、總諧波失真加噪聲值等）都如此相似以至于難分勝負(fù)。用戶界面當(dāng)然是有明顯差異，但這往往帶有太多的主觀性。我們希望有一個(gè)客觀的音頻指標(biāo)，它可以幫助產(chǎn)品脫穎而出。

耳機(jī)打開或關(guān)閉時(shí)的喀嗒聲就是一個(gè)重要且客觀的音頻指標(biāo)。隨著人們對(duì)音頻性能的期望越來(lái)越高，去瞬態(tài)噪聲處理已逐漸成為便攜音頻產(chǎn)品的一個(gè)關(guān)鍵賣點(diǎn)。

傳統(tǒng)耳機(jī)放大器

在便攜音頻系統(tǒng)中，電源管理對(duì)延長(zhǎng)電池使用時(shí)間很重要，所以很多功能模塊在不使用時(shí)經(jīng)常被關(guān)閉。這種設(shè)計(jì)思路使得音頻喀嗒聲更容易出現(xiàn)。理想器件在打開或者關(guān)閉時(shí)沒(méi)有音頻輸出，但實(shí)際音頻放大器總是會(huì)或多或少的產(chǎn)生喀嗒聲。

大部分由電池供電的傳統(tǒng)耳機(jī)放大器都是單電源供電，它們工作在正電壓和地之間。這些放大器只能通過(guò)正信號(hào)，而放大器輸入的音頻信號(hào)則有正有負(fù)。所以，放大器必須加入直流偏置才能接受音頻信號(hào)。為了獲得最大的信號(hào)擺幅，直流偏置點(diǎn)一般都設(shè)定為供電電壓的一半（圖1）。

圖1. DirectDrive放大器的輸出波形和傳統(tǒng)耳機(jī)放大器的輸出波形對(duì)比

雖然放大器需要直流偏置，但耳機(jī)卻只接受交流信號(hào)。將直流偏置加到耳機(jī)上，耳機(jī)動(dòng)圈會(huì)從中間位置移至最邊界。這意味著耳機(jī)輸出的聲壓將出現(xiàn)失真。同時(shí)，消耗在耳機(jī)線圈的直流信號(hào)造成了能量損失和不必要的熱。在極端情況下，這些熱可能會(huì)永久性損壞耳機(jī)。

傳統(tǒng)音頻系統(tǒng)包括隔直電容，它可以阻止直流偏置進(jìn)入耳機(jī)。該電容和阻性負(fù)載組成了高通濾波器。因?yàn)閭鹘y(tǒng)耳機(jī)的等效阻抗為32?，隔直電容必須足夠大才不會(huì)阻止音頻通過(guò)：

為了讓低至20Hz的音頻通過(guò)，我們要使用至少250uF的電容。如果耳機(jī)阻抗為16?，那么我們將需要至少500uF的隔直電容。

某些系統(tǒng)可能有足夠空間來(lái)使用相對(duì)便宜的鋁電解電容，但大部分便攜設(shè)備無(wú)法做到。因而，我們必須使用昂貴的鉭電容，即使這樣鉭電容仍然需要相當(dāng)?shù)陌迳峡臻g。我們也可以使用較小容值的電容來(lái)節(jié)約空間和成本，但無(wú)法保證低至20Hz的平坦頻響曲線（圖2）。

圖2. 16?耳機(jī)放大器的頻響曲線

“無(wú)偏置”技術(shù)介紹

包括美信在內(nèi)的一些公司開發(fā)了不需要直流偏置的耳機(jī)放大器（該電路在美信的專利為DirectDrive，本文稱為無(wú)偏置）。雖然無(wú)偏置耳機(jī)放大器由單電源供電，它仍然能通過(guò)正、負(fù)信號(hào)。負(fù)擺幅由板載電荷泵產(chǎn)生的負(fù)電源實(shí)現(xiàn)，該負(fù)電源可以跟蹤相應(yīng)正電源的幅度。這樣，放大器就成為了零偏置（圖1）。

無(wú)偏置設(shè)計(jì)中的電荷泵只需要兩個(gè)很小的外部陶瓷電容：一個(gè)飛跨電容和一個(gè)保持電容。一般，它們的容值為1uF，體積為0402（0.4×0.2mm）。因而，相比包含220uF大電容的傳統(tǒng)耳機(jī)放大器電路，無(wú)偏置設(shè)計(jì)在提供卓越性能的同時(shí)還節(jié)省了空間。

走近“喀嗒聲”

現(xiàn)在，我們從電氣角度來(lái)分析喀嗒聲。在傳統(tǒng)耳機(jī)放大器中，輸出電容在放大器打開時(shí)會(huì)充電，在關(guān)閉時(shí)會(huì)放電。因?yàn)殡娙莸碾姾蓪⒘鬟^(guò)耳機(jī)，所以充、放電過(guò)程將產(chǎn)生惱人的喀嗒聲。圖3為喀嗒聲的等效電路，Vcc/2電源代表耳機(jī)放大器輸出端的直流偏置。

圖3. 喀嗒聲的等效電路，C1代表隔直電容，R1代表耳機(jī)負(fù)載

S1和S2不能同時(shí)打開或者關(guān)閉，它們用來(lái)模擬耳機(jī)放大器的打開和關(guān)閉：

(a) S1斷開，S2閉合:

(b) S1閉合，S2斷開:

(c) S1再次斷開，S2再次閉合:

圖4

圖4中的黃色波形描述了喀嗒聲。 圖4. 喀嗒聲的理論波形。

已驗(yàn)證方案

2008年全球生產(chǎn)了超過(guò)4億支手機(jī)，很多用戶都抱怨手機(jī)的音頻質(zhì)量。為什么？因?yàn)樵O(shè)計(jì)師只有兩種選擇：

要么使用大的隔直電容來(lái)獲得較好的低頻響應(yīng)，但用戶得忍受打開或關(guān)閉耳機(jī)時(shí)產(chǎn)生的喀嗒聲。要么通過(guò)使用較小的隔直電容來(lái)減小喀嗒聲，但用戶無(wú)法欣賞200Hz以下的低音。音頻工程師努力通過(guò)軟啟動(dòng)或者電容充、放電方法來(lái)解決這個(gè)難題，但效果始終不理想。

我們?yōu)槭裁床粐L試下全新的方案呢？

新一代立體聲耳機(jī)放大器MAX9724包含專利電路，它可通過(guò)單電源來(lái)產(chǎn)生零偏置音頻輸出。由于不需要大的隔直電容，此方案可節(jié)省成本、空間和器件高度。下面，我們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試來(lái)比較QSC60xx的喀嗒聲和使用DirectDrive電路后的效果（圖5）。QSC60xx是CDMA手機(jī)的主流基帶芯片，像很多其它基帶或音頻編解碼芯片一樣，它集成了耳機(jī)輸出功能。

圖5

圖5. 測(cè)試對(duì)比了兩種處理喀嗒聲的效果。左聲道是QSC60xx的原始設(shè)計(jì)，右聲道是美信MAX9724耳機(jī)放大器。音頻測(cè)試信號(hào)為1kHz正弦波。

當(dāng)你插入耳機(jī)，QSC60xx在沒(méi)有音頻輸入的情況下首先打開耳機(jī)放大器（圖6的黃色波形的上升沿），然后在40-50ms后給耳機(jī)放大器輸入1kHz正弦波（圖6的黃色波形的正弦波部分）。

圖6

圖6. 耳機(jī)放大器第一次打開時(shí)對(duì)比試驗(yàn)波形。紫色波形表示了圖5的耳機(jī)放大器打開時(shí)產(chǎn)生的喀嗒聲

當(dāng)QSC60xx打開耳機(jī)放大器時(shí)，圖6的紫色脈沖就是惱人的喀嗒聲。如果MAX9724在喀嗒聲之前就已經(jīng)打開，那么它將放大這些喀嗒聲（即使MAX9724自身不產(chǎn)生喀嗒聲）。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)赒SC60xx打開耳機(jī)放大器之后的20-30ms再打開MAX9724。結(jié)果，這樣就可以獲得完全沒(méi)有喀嗒聲的開機(jī)波形（圖6的綠色波形）。

這里，需要注意兩點(diǎn)：

1. 當(dāng)我們打開MAX9724時(shí)，它自身不產(chǎn)生喀嗒聲（詳見圖6的紅色和綠色波形）

2. 必須在喀嗒聲過(guò)后再打開MAX9724。不然，無(wú)偏置放大器會(huì)把喀嗒聲做信號(hào)放大。這就是一些設(shè)計(jì)即使使用了MAX9724，仍然聽到放大了的喀嗒聲的原因。

其他要點(diǎn)

另外，還有一個(gè)奇怪的現(xiàn)象經(jīng)常困擾音頻工程師。他們發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)選用小容值電容或不停開、關(guān)耳機(jī)放大器來(lái)大幅度的減小喀嗒聲。首先，我們要澄清兩件事：

* 無(wú)論你使用10uF或250uF隔直電容，喀嗒聲的峰值電壓始終為Vcc/2。當(dāng)然，電容充電時(shí)間是不一樣的。大電容需要更長(zhǎng)時(shí)間充電，這樣你就容易聽見喀嗒聲。通過(guò)延后MAX9724打開，將濾除QSC60xx打開耳機(jī)放大器時(shí)產(chǎn)生的喀嗒聲。

當(dāng)關(guān)掉耳機(jī)放大器后，大的隔直電容將需要更長(zhǎng)時(shí)間放電。但如果不停的快速打開、關(guān)閉耳機(jī)放大器，電容在較短時(shí)間內(nèi)將無(wú)法完全放電。結(jié)果，大的隔直電容上的電壓下降較慢。當(dāng)耳機(jī)放大器再次打開時(shí)，輸出端的直流偏置電壓將從800~1000mV升至Vcc/2，而不是從0V升至Vcc/2（圖7中黃色波形的起始電壓）。因而，我們?cè)趫D7的紫色波形上看到了一個(gè)較小的峰值電壓（相比圖6的紫色波形）。

圖7

圖7. 當(dāng)耳機(jī)在關(guān)斷后再次迅速打開的對(duì)比試驗(yàn)。紫色波形有一個(gè)較小的喀嗒聲幅度（對(duì)比圖6的紫色波形）

從上面的對(duì)比試驗(yàn)，我們可以得出兩個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)論：

* 大的隔直電容在耳機(jī)放大器第一次打開時(shí)產(chǎn)生較大喀嗒聲，但當(dāng)不停打開、關(guān)閉耳機(jī)放大器時(shí)喀嗒聲較小。參考圖8的100uF隔直電容的紫色波形。

* 小的隔直電容在耳機(jī)放大器第一次打開時(shí)產(chǎn)生較小喀嗒聲，但當(dāng)不停打開、關(guān)閉耳機(jī)放大器時(shí)喀嗒聲較大。較小的隔直電容意味著較短的放電時(shí)間（電容電壓下降較快），當(dāng)耳機(jī)放大器再次打開時(shí)將產(chǎn)生較大的升壓。

圖8. 100uF的隔直電容在耳機(jī)放大器不停開關(guān)時(shí)產(chǎn)生較小的喀嗒聲（紫色波形）

無(wú)論是大的隔直電容還是小的隔直電容，用戶都將聽到喀嗒聲，只是在不同的時(shí)間點(diǎn)以及不同的噪聲大小。另一方面，我們可以通過(guò)使用無(wú)偏置放大器和延后打開時(shí)間的方法完全消除這些喀嗒聲。圖7~9的綠色波形表示了耳機(jī)放大器打開或關(guān)閉斷時(shí)的沒(méi)有任何喀嗒聲輸出。

結(jié)論

很明顯，通過(guò)去掉傳統(tǒng)耳機(jī)放大器的輸出耦合電容，無(wú)偏置技術(shù)可以減小體積和成本。同時(shí)，它還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 喀嗒聲抑制：無(wú)偏置技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是去除喀嗒聲。通過(guò)去掉隔直電容，無(wú)偏置技術(shù)去除了喀嗒聲的主要源頭。

2. 更好的低音性能：隔直電容和耳機(jī)阻性負(fù)載形成了高通濾波器。大多數(shù)系統(tǒng)無(wú)法使用能提供20Hz~20kHz頻響的大電容。小電容的折衷方法雖然節(jié)省了空間和成本，但提高了低頻截止頻點(diǎn)，損害了低頻性能。這個(gè)缺點(diǎn)在16?的耳機(jī)系統(tǒng)中更加明顯。

無(wú)偏置技術(shù)去除了高通濾波器，因而只由輸入耦合電容來(lái)決定拐角頻點(diǎn)。由于耳機(jī)放大器的輸入阻抗一般大于10k?，1uF或者更小的電容就足夠通過(guò)全音頻信號(hào)。例如，MAX9724的輸入阻抗為20k?，那么0.47uF的電容就足夠了：

3. 低電壓工作：無(wú)偏置技術(shù)可以讓耳機(jī)放大器使用數(shù)字芯片電源。比電池更低的電源可以提供耳機(jī)放大器的效率。之前常用的3.3V或2.5V電源已經(jīng)被1.8V電源取代。注意，傳統(tǒng)耳機(jī)放大器在1.8V電源下只能給32歐姆負(fù)載提供10mW功率。

無(wú)偏置放大器的電荷泵給放大器提供了兩倍的電源，在相同的1.8V電源下可提供40mW的功率。因而，耳機(jī)放大器在提供足夠聲壓時(shí)可更有效率。

4. 減少失真：最后，傳統(tǒng)耳機(jī)放大器的輸出電容在低頻段會(huì)引入音頻失真。在接近低頻拐角處，電容的電壓系數(shù)的非線性會(huì)引入失真。在某些情況下，該失真可達(dá)到1%，從而被人耳察覺(jué)（圖9）。通過(guò)去除耦合電容，無(wú)偏置放大器消除了這個(gè)失真源。

圖9. 大的電解隔直電容會(huì)引入較大音頻失真