音频输出取消隔直电容技术

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1、关键字：音频 瞬态噪声 喀嗒声指恼人的音频瞬态噪声，在耳机放大器打开或关闭时由耳机产生。通过去掉传统耳机放大器输出端的隔直电容，美信公司的DirectDrive专利技术可去除喀嗒声，同时提供更好的低频响应。本文先阐述DirectDrive原理，如何工作以及带来的优点。然后介绍一个在手机等便携设备上已验证的去除耳机喀嗒声的方法。便携音频产品的差异化一直是个热门话题。什么特点能让产品A相比竞争产品B更出色？通常的音频指标（频响平坦度、总谐波失真加噪声值等）都如此相似以至于难分胜负。用户界面当然是有明显差异，但这往往带有太多的主观性。我们希望有一个客观的音频指标，它可以帮助产

2、品脱颖而出。耳机打开或关闭时的喀嗒声就是一个重要且客观的音频指标。随着人们对音频性能的期望越来越高，去瞬态噪声处理已逐渐成为便携音频产品的一个关键卖点。传统耳机放大器在便携音频系统中，电源管理对延长电池使用时间很重要，所以很多功能模块在不使用时经常被关闭。这种设计思路使得音频喀嗒声更容易出现。理想器件在打开或者关闭时没有音频输出，但实际音频放大器总是会或多或少的产生喀嗒声。大部分由电池供电的传统耳机放大器都是单电源供电，它们工作在正电压和地之间。这些放大器只能通过正信号，而放大器输入的音频信号则有正有负。所以，放大器必须加入直流偏置才能接受音频信号。为了获得最大的信号摆

3、幅，直流偏置点一般都设定为供电电压的一半（图1）。图1.DirectDrive放大器的输出波形和传统耳机放大器的输出波形对比虽然放大器需要直流偏置，但耳机却只接受交流信号。将直流偏置加到耳机上，耳机动圈会从中间位置移至最边界。这意味着耳机输出的声压将出现失真。同时，消耗在耳机线圈的直流信号造成了能量损失和不必要的热。在极端情况下，这些热可能会永久性损坏耳机。传统音频系统包括隔直电容，它可以阻止直流偏置进入耳机。该电容和阻性负载组成了高通滤波器。因为传统耳机的等效阻抗为32Ω，隔直电容必须足够大才不会阻止音频通过：为了让低至20Hz的音频通过，我们要使用至少250uF的电

4、容。如果耳机阻抗为16Ω，那么我们将需要至少500uF的隔直电容。某些系统可能有足够空间来使用相对便宜的铝电解电容，但大部分便携设备无法做到。因而，我们必须使用昂贵的钽电容，即使这样钽电容仍然需要相当的板上空间。我们也可以使用较小容值的电容来节约空间和成本，但无法保证低至20Hz的平坦频响曲线（图2）。图2.16Ω耳机放大器的频响曲线“无偏置”技术介绍包括美信在内的一些公司开发了不需要直流偏置的耳机放大器（该电路在美信的专利为DirectDrive，本文称为无偏置）。虽然无偏置耳机放大器由单电源供电，它仍然能通过正、负信号。负摆幅由板载电荷泵产生的负电源实现，该负电源可

5、以跟踪相应正电源的幅度。这样，放大器就成为了零偏置（图1）。无偏置设计中的电荷泵只需要两个很小的外部陶瓷电容：一个飞跨电容和一个保持电容。一般，它们的容值为1uF，体积为0402（0.4×0.2mm）。因而，相比包含220uF大电容的传统耳机放大器电路，无偏置设计在提供卓越性能的同时还节省了空间走近“喀嗒声”现在，我们从电气角度来分析喀嗒声。在传统耳机放大器中，输出电容在放大器打开时会充电，在关闭时会放电。因为电容的电荷将流过耳机，所以充、放电过程将产生恼人的喀嗒声。图3为喀嗒声的等效电路，Vcc/2电源代表耳机放大器输出端的直流偏置。图3.喀嗒声的等效电路，C1代表隔

6、直电容，R1代表耳机负载S1和S2不能同时打开或者关闭，它们用来模拟耳机放大器的打开和关闭：(a)S1断开，S2闭合:(b)S1闭合，S2断开:　　　　　　　　　(c)S1再次断开，S2再次闭合:　　　　　　　　　　　　　　图4图4中的黄色波形描述了喀嗒声。图4.喀嗒声的理论波形。已验证方案2008年全球生产了超过4亿支手机，很多用户都抱怨手机的音频质量。为什么？因为设计师只有两种选择：要么使用大的隔直电容来获得较好的低频响应，但用户得忍受打开或关闭耳机时产生的喀嗒声。要么通过使用较小的隔直电容来减小喀嗒声，但用户无法欣赏200Hz以下的低音。音频工程师努力通过软启动或

7、者电容充、放电方法来解决这个难题，但效果始终不理想。我们为什么不尝试下全新的方案呢？新一代立体声耳机放大器MAX9724包含专利电路，它可通过单电源来产生零偏置音频输出。由于不需要大的隔直电容，此方案可节省成本、空间和器件高度。下面，我们通过一个简单的测试来比较QSC60xx的喀嗒声和使用DirectDrive电路后的效果（图5）。QSC60xx是CDMA手机的主流基带芯片，像很多其它基带或音频编解码芯片一样，它集成了耳机输出功能。图5图5.测试对比了两种处理喀嗒声的效果。左声道是QSC60xx的原始设计，右声道是美信MAX9724耳机放