消除音頻輸出端的喀嗒聲方法

喀嗒聲指惱人的音頻瞬態(tài)噪聲，在耳機(jī)放大器打開(kāi)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(mén)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(kāi)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(mài)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)或者關(guān)閉，它們用來(lái)模擬耳機(jī)放大器的打開(kāi)和關(guān)閉：

(a) S1斷開(kāi)，S2閉合:

(b) S1閉合，S2斷開(kāi):

(c) S1再次斷開(kāi)，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。