消除扬声器音频杂音的技巧
作者：Tim Lok
Intersil公司
音频杂音(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音。杂音可能会使人的耳朵感到不舒服和厌烦。当音源上电或掉电，或当音频信号减弱或被不同负载复用时，就会产生杂音。这些情况产生的瞬态脉冲通过扬声器负载放电，从而引起令人讨厌的杂音。
为延长电池寿命，笔记本电脑、手机、MP3播放器等便携式媒体设备采用了节能设置(如待机、休眠模式等)，同时集成了USB或多个音源开关，杂音瞬变正变得日益突出。本文介绍了杂音瞬变是如何产生和测量的。给出了对杂音的客观和主观描述。提出了一项旨在减少瞬变出现以消除杂音的指导原则。还对不同的杂音消除技术与某些设计中最新Intersil器件的性能进行了比较。
杂音的来源
杂音瞬变的一些常见原因是：电源瞬变、DC输入瞬变、音频驱动器偏置电压。
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，将低通滤波器(LPF)构建在V+引脚之上的技术可以进一步减少电源引脚的瞬变。
在IC的V battery电源引脚和V+引脚之间放上一个串联电阻R Series，就构成了一个带有去耦电容C in 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音。
Input LPF
V L
图1：电源输入滤波器
2.DC 输入瞬变
图2：单电源音频放大器驱动器的AC 耦合负载。
图2显示了驱动一个32Ω耳机的单电源音频放大器的简化布局，它广泛用于许多便携式媒体播放器。音频放大器输出信号被DC 偏置为系统电源电压的一半，从而允许完整的音频信号在正负方向摆动。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。
V out
Power up transient
Power down transient
V Load
图3：来自DC 输入瞬变的杂音瞬变。
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 原理，电容的V Load 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，而出现杂音。
3. 音频驱动器DC 偏置电压
图4：有DC 耦合负载的音频放大器。
图4显示了一个不需要隔直流电容的音频驱动器输出级应用，因为这里没有DC 偏置电压。该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)可以具有范围在±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)。该偏移电压可以大到足以使扬声器出现杂音。
什么是杂音
到目前为止，重点一直是在杂音的来源。本节将给出杂音瞬变的波形。描述了在一个正常(典型、环境)收听环境中加载的各种前置放大器(pre-amp)、扬声器和耳机出现的杂音瞬变。完成这次测试的扬声器距离听众的耳朵6英寸，并将一个常规应用中的耳机戴在耳朵上。下面的结果表明，杂音是在下列共同条件下在负载上产生的结果。
对于一个32Ω耳机：脉冲转换速率超过6.35V/s；脉冲宽度超过0.6μs；脉冲幅度超过2mV。
对于一个10k Ω输入阻抗的前置放大器，设置增益为10来驱动4Ω扬声器：脉冲转换速率超过25V/s；脉冲宽度超过0.6μs；脉冲幅度超过10mV。
对于一个20k Ω输入阻抗前置放大器，设置增益为10来驱动8Ω扬声器：脉冲转换速率超过20V/s；脉冲宽度超过0.6μs；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音的标准。该标准见表1。不过，杂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音。
表1：消除杂音的推荐条件。
负载 增益 脉冲转换速率 脉冲持续时间 脉冲幅度 32Ω耳机 单位 ≤5V/s
≤0.5μs
≤1mV
10k Ω前置放大器 – 4Ω扬声器 10 ≤10V/s ≤0.5μs ≤5mV
20k Ω前置放大器–8Ω扬声器
10
≤10V/s ≤0.5μs ≤5mV
重要的是，应注意在脉冲持续时间超过大约10ms 时，“嘶嘶声”和“破音”会出现在每一个脉冲转换上(即上升或下降)。对于0.6μs 到10ms 范围的瞬态脉冲宽度，“嘶嘶声”和“破音”的出现非常接近，以致声音的出现被认为是同时的。如表1所示，脉冲幅度的减小必须消除杂音，表示为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：脉冲幅度减小。
电源电压 (V) 32Ω耳机 (dB) 10k Ω前置放大器– 4 Ω扬声器 (dB) 20k Ω前置放大
器 － 8 Ω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
减少杂音的技术
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。下一节描述了用Intersil 的模拟开关实现的两种技术。
1. 杂音分流网络
能够允许负信号摆幅的单电源模拟开关，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32Ω负载，而不出现杂音瞬变。
图5：采用分流网络的模拟开关。
图6显示了具有杂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，从而引起杂音。
图7中的杂音分流电路采用了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，从而消除了杂音。
图6：具有杂音禁用功能的ISL54406。
图7：具有杂音功能的ISL54406。
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偏置电压，在开关切换时，开关将会把偏置耦合到负载。
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。在负载端，满足表1给出的转换速率可以消除由于DC偏置电压引起的杂音。
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，这符合杂音消除标准，见表1。
图8：采用软启动电容器的ISL54405器件。
ISL54405 device Soft Start disabled
MUTE Signal
20mV DC offset Switch Input
Switch Output
图9：具有软启动禁用功能的ISL54405(第一部分)。
ISL54405 device Soft Start disabled
MUTE Signal
20mV DC offset Switch Input
Switch Output Slew rate = 1550V/μs
图10：软启动与禁用功能的ISL54405(第2部分)。
Slew rate = 3.5V/μs
ISL54405 device Soft Start enabled
MUTE Signal
20mV DC offset Switch Input
Switch Output
图11：具有软启动开启功能的ISL54405
本文小结
杂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。如果减少了杂音瞬变的特性，就可以消除杂音，这样就可以符合表1
中给出的标准。集成了杂音消除功能的
Intersil模拟开关的推出可以实现高性能的音频信号路由，同时尽可能减少占板空间和功耗。
Intersil的杂音消除器件
Intersil可提供集成了多种功能的开关器件，包括杂音消除。以下是一些具有杂音消除电路的Intersil产品。欲得到更多有关这些产品的信息，请访问https://www.doczj.com/doc/e614338620.html,，或咨询当地的销售部门(可以从厂商或Intersil销售代表获得更多各种Word格式的资讯)。
ISL54405超低失真双SPDT复用器开关(Mux Switch)
ISL54406音频杂音消除器
具有杂音消除功能的ISL54210/ISL54211音频/USB复用器开关
ISL54000 – ISL54006 AB类音频放大器