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音频系统应用中的“POP”噪声以其常用解决方法

09-08 12:13:55 | http://www.5idzw.com | 电子制作 | 人气:220
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对于单端的输出结构,在单电源系统中通常需要接一个电容(如图1所示)。这个电容的作用是:(1)隔断直流基准电压Vbias。如果没有隔直,直流电压会直接流过后面的扬声器线圈,使纸盆平衡位置偏向一端,若Vbias过大还可能损坏线圈。(2)耦合交流音频信号。它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器(HPF),根据公式(4),电容的大小与低频处的截止频率fc有关。

fc=1/(2π*RL*Co) (4)

图8:MAX9890的Vbias变化时序。

电容Co越大,截止频率fc则越低,这意味着更低的频率也可耦合到负载上去(见图9)。

减小Co的容值可使“POP”冲击的幅度变小、脉冲宽度变窄。由于“POP”冲击的频谱能量大都在高频,减小Co的容值同样可以减少可闻噪声。图10显示了电容Co分别为10uF、47uF、100uF、220uF时的“POP”冲击情况。可以看出,当Co减小到一定值后,再减小该值,噪声抑制效果提高得很少。但根据公式(4),减少电容值可明显提高截止频率fc(如图9所示),因此设计工程师必须权衡,作出一个折衷选择。

当然,有的芯片具有低音增强特性,可在外部反馈回路中通过增加一个零点的方法,来使低频部分的增益大于通带内的增益。比如对于LM4838器件来说,调整电容Cbs的大小就可以调整增益拐点在频率上的位置(见图11)。

用恰当的操作来抑制“POP”噪声

图9:不同耦合电容下的频率响应特性(RL=16Ω)。

 

 

 

 

 

 

 

 

在音频功率放大器芯片上常常有MUTE、STB(Standby)管脚。当MUTE信号有效时,芯片内部将输入端短接到地,其它电路保持正常工作;而当STB信号有效时,则关断音频电路静态时最耗电的Vbias偏置电路。对采用CMOS工艺的音频电路而言,关断Vbias偏置电路后的静态电流主要是MOS管的亚阈值电流,即MOS管的漏电流(微安级),管子的阈值电压越小,此电流值越大。由以上讨论可知,若单独使用STB,由于Vbias的瞬变,难免会引起“POP”噪声。如果将这两个管脚按一定顺序正确使用,则可有效地抑制开关机噪声(见图12)。芯片上电时,先使MUTE、STB有效,待电源稳定后,先释放STB,再释放MUTE。掉电操作时,在准备掉电之前先使MUTE有效,然后再使STB有效,直到Vdd变为0。这是因为通常由MUTE操作引起的“POP” 噪声要小于STB操作引起的“POP” 噪声。

图10:耦合电容不同时的“POP”冲击波形。

图12容易使人产生这样一个误解:STB的操作全被MUTE的作用所覆盖,是否不需要STB也可以抑制噪声呢?答案是肯定的,无论STB是什么状态,若只使用MUTE且按照图12的顺序执行,的确可以抑制“POP”声。但需要注意的是,芯片在上电过程中(从0到Vdd),电源只需要达到某个小于Vdd的电压值,Vbias就会从0跳变到Vdd/2。此时电源还未稳定,Vdd会通过输出驱动管对负载产生一个无法预测的随机冲击噪声。如果此时Vbias还未建立(仍为0V),则该随机冲击噪声的影响很小,至少采用图12的操作可以抑制电源瞬变冲击引起的“POP”噪声。等电源稳定后,Vbias带来的冲击也只是由从0到Vdd/2(而不是从0到Vdd)的电源跳变引起的。但实际的情况比较复杂,有些芯片的输入端的直流基准与输出端的直流基准是两个独立的电压,当STB有效时,输出端的Vbias并不跳变;还有些芯片在MUTE有效时是将输出端短接到地。即使MUTE为有效状态,也只是将输入端接地,输出端的Vbias冲击仍然会通过耦合电容Co传递到负载。无论情况怎样,从抑制噪声的角度考虑,设计工程师总是希望输出端的Vbias变化缓慢,最好是保持不变且始终为0V。

使用外部的静音(MUTE)电路

图11:LM4838 低音增强特性,(a)典型的应用原理图;(b)不同Cbs值的频率响应。

 

 

 

 

 

 

 

从以上讨论可知,芯片上电、掉电时出现的“POP”噪声是比较难解决的。事实上也的确如此,没有Vdd可能意味着整个系统同时失去电源,MCU不能工作,I/O状态失去控制,也无法完成图12所示的操作。但是,仍有一些方法可以解决这个难题,例如使用外部的静音电路,此时上面提到的“减小‘POP’声,就是要避免直流瞬变”的思路仍然可用。因此这个静音电路应该具有如下功能:(1)上电时,在Vdd开始上升之前,输出一个稳定的有效信号(假设为高电平)来驱动MUTE和STB管脚;(2)掉电时,在Vdd开始下降之前,输出一个稳定的有效信号(假设为高电平)来驱动MUTE和STB管脚。

图13所示的电路基本可以满足以上两个要求。当+12V上电时,电荷通过D1到达Q1的e极,也通过R1、R2到达Q1的b极。由于电荷需要对C2充电,所以Q1的b极在上电刚开始的一段时间trise内比e极低一个阈值电压,此时Q1导通,在c极输出一段时间的高电平信号MUTE_OUT1。图14为外部静音电路的仿真结果。

图12:上电、掉电时MUTE与STB的正确时序。

当+12V突然掉电时,C2通过D2迅速放电,此时D2正向导通,将R1短路并形成放电回路。因为C2容值小,储存电荷少,所以放电时间常数ttailrise。C1储存的电荷不能通过D1释放,所以Q1的e、b极又出现了压差,使Q1导通并再次输出高电平。一旦电源稳定后,Q1的b极电压略高于e极,则Q1截止,MUTE_OUT1处于高阻状态。

实际的应用系统一般会有多组电源同时存在,由于电压不同、负载的轻重不同以及所并联的去耦电容不同,每组电源的上升、下降时间会有差异。这种现实的差异正是图13电路的工作前提:将上电、掉电时间短的电源放到+12V处,将上升相对较慢的电源作为音频Vdd。这一点需要特别强调。

下面介绍图13电路的参数优化方法。图15显示了外部静音电路中A、B、C三点的电压变化情况。在上电、掉电回路有一个公用的器件C2,C2的取值要合适,目的是实现ttailrise。可以通过加大充电回路中的电阻R1并减小放电回路中二极管D2的正向电阻,来加大这两个时间的大小差别。二极管是半导体器件,其正向电阻是非线性的,阻值与流过的正向电流有关。

图13:外部的静音电路。

RFOR=Φr/(IFOR+IS) (5)

其中,Φr=kT/q=26mV@T=300K,它是一个与温度有关的电压常数;IS为饱和电流,是一个与结面积有关的常数。从公式(5)可看出,正向电阻随正向电流的增大而减小。这里使用系统中较高的电压+12V作为静音电路的电源,是为了增加二极管D1的放电电流。在C2充电的过程中,有两个电流对其充电,其中一个电流来自+12V并经过R1,其上升时间(从10%到90%)为:

trise=2.2*Rcharge*C (6)

将R1、C2带入公式(6)计算出上升时间为10.34秒。但实际上的上升时间并没有这么长,其原因是还有另一个来自Q1的b极的充电电流。Q1导通时,B点的电压等于A点电压减去发射结压降,大约为10.6V,集电结也正偏,管子处于饱和状态,因此Q1的b极流出的电流通过R2对C2充电,加速了C点电压的上升。

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