手機音頻設計中Pop噪聲的產生機理和問題解決方案

手機日益普及，已成為生活中不可缺少的通訊工具。而且手機的功能已不僅僅限于通話，手機早已成為時尚潮流的標志和音頻視頻娛樂的一個載體，MP3、FM收音機、手機電視、數碼拍照等等都逐漸成為中高端手機必不可少的功能。尤其是音樂手機的推出對手機的音質提出了更高的要求。然而在手機音頻的設計中，Pop噪聲問題一直是困擾工程師的難題之一。本文將分別闡述針對手機的揚聲器和立體聲耳機Pop噪聲的產生機理，并介紹意法半導體針對這些問題提出的解決方法。

Pop 噪聲

手機用音頻器件大部分都采用單電源供電，因為這樣可以簡化電源的設計和延長待機時間。而這時，音頻放大器的輸入信號和輸出信號往往會疊加上0.5倍電源電壓的直流電壓偏置。所以，在音頻輸入端需要加輸入電容（Cin）濾除音源的偏置電壓（Vbias）；在輸出端使用單端接法時，也需要輸出電容（Cout）濾掉這個偏置電壓，避免它在揚聲器兩端產生額外功耗。另外，還需要一個偏置電容（Cbias）來穩(wěn)定偏置電壓，同時提高音頻功放的電壓抑制比。

Pop噪聲是指音頻放大器在上電、斷電瞬間以及在待機切換時，電源對輸入電容，偏置電容或輸出隔直電容充電所產生的爆破聲。對電容的瞬時充電往往在輸出端會產生一個尖峰電壓，此電壓加在揚聲器兩端，如圖1所示，生成電流并切割磁力線，產生作用力，使揚聲器發(fā)出Pop-click噪聲。

手機揚聲器的Pop噪聲解決方法

TS4990是意法半導體具有1.2W輸出能力的單聲道AB類放大器，其典型應用原理圖如圖2所示，圖2a和圖2b分別是單端和差分接法，而輸出皆采用了BTL方式，不僅可以增大輸出功率，也取消了輸出端隔直電容。在圖中可以看到輸入電容Cin和偏置電容Cb，此時Pop噪聲的原因就是兩電容的充電順序問題。

在放大器啟動時，作為音頻放大器內部偏置電壓濾波器的旁路電容Cb以一個恒定的速率線性充電，如圖3所示，在Cb兩端電壓充電到0.5倍電源電壓時放大器才開始正常工作，這個充電時間就是音頻放大器的啟動時間。在啟動時間內，放大器輸出端無任何信號輸出。同時，輸入電容Cin也以指數的速率充電，但是其充電回路中串聯(lián)了增益電阻Rin，增益電阻往往是幾十kΩ，這樣大大延長了其充電時間。如果在啟動時間內，Cin完成充電，則不會有Pop噪聲問題，但是如果Cin在啟動時間內沒有完成充電，會產生Pop噪聲，如圖3中紅線所示。這是因為旁路電容Cb已經完成充電，正常工作的音頻放大器把Cin充電的信號放大到放大器輸出端，產生了如圖1的噪聲電壓。

為了消除Pop噪聲，要選擇合適的Rin、Cin、Cb的值，確保要在Cb充電完成之前Cin已經完成充電，也就是說，Cin的時間常數tin應該遠小于與Cb對應的啟動時間Tb：tin《圖4分別是與Cb對應的啟動時間和Cin時間常數最大值，可以作為選擇電容時的參考。然而，輸入電容和輸入電阻Rin構成一個高通濾波器，通常這個頻率被設置在100Hz或者更高，一些高質量音頻的手機為了耦合更低頻的聲音會將其限定在幾十赫茲的范圍內。所以設計時要考慮增益和音頻信號的最低輸入頻率。截止頻率計算方法如下式所示。

如果在設計電路和選擇器件時能夠按照以上規(guī)則進行，即使在很大增益的情況下TS4990也能達到接近于零的Pop噪聲。TS4990在和一般音頻放大器比較時顯示出優(yōu)秀的Pop噪聲抑制能力。除在外圍電路上的設計之外，還可以采用軟件的方法來消除Pop噪聲。音頻放大器一般都會有一個Standby管腳，在播放音樂或語音時，可以先讓音頻放大器處于Standby狀態(tài)，然后輸入音頻信號，幾十毫秒以后再打開音頻放大器，同樣可以有效地消除Pop噪聲。

還有一點要說明的是，差分輸入的音頻放大器具有很好的噪聲抑制能力，如ST的AB類音頻放大器TS4994和D類的TS4962。但在選擇差分電路的輸入電阻和輸入電容時，要分別注意兩個電阻和電容之間精度匹配的問題。選擇時盡量使用高精度的電阻和電容，如果精度不高，也容易帶來Pop噪聲問題。

立體聲耳機的Pop噪聲解決方法

手機中立體聲耳機每個聲道負載阻抗約32Ω，輸出功率較小，因此，針對耳機使用的音頻放大器輸出都采用單端方式的AB類放大器，同樣是單電源供電。TS488/9是意法半導體立體聲耳機驅動器，本身具有Pop噪聲的抑制電路，輸入電容、偏置電容和輸出電容三者同時存在，Pop噪聲來自兩個地方，首先是輸出電容的充電引起，其次是輸入電容和偏置電容的充電順序問題，這和TS4990十分類似。下面重點介紹由于輸出電容引起的Pop噪聲問題。

與輸出為橋式接法（BTL）的音頻放大器不同，單端接法需要添加大的隔直電容Cout來消除Vbias，否則Vbias會在耳機上產生直流損耗，使效率降低，甚至損壞耳機。在上電期間，放大器的輸出信號對Cout瞬間充電到Vbias；而在斷電時，電容兩端的電壓又從Vbias放電至0V，波形如圖5所示，輸出電容的瞬間充/放電就會在耳機上產生Pop噪聲。

同時由于Cout和負載形成一個高通濾波器（下式），Cout的大小直接決定截止頻率（fc）。為了獲得更好低音性能，一般要大于100mF。這樣大的電容使Pop噪聲愈加明顯，Pop噪聲的大小成為考核手機音質的一個重要指標。

為消除Cout引起的Pop噪聲，一般采用對Cout進行預充放電的方式，用一個ST的單刀雙擲模擬開關STG3155對輸出電容在初始階段進行預充電，通過設置電阻R和電容C調節(jié)充電時間，以避免對Cout的充電信號落入音頻范圍（20kHz~20kHz）。充電完成后，再將此開關斷開。實驗證明，這種方法可以有效地消除由于隔直電容帶來的Pop噪聲。

在實際使用中，由于輸出電容Cout容值較大，增加了PCB板的面積和成本，且降低了音頻信號的低頻性能。意法半導體不斷推出新的音頻放大器消除輸出電容。新推出的TS4909立體聲耳機放大器在TS488的基礎上增加了“虛地”的特性，所謂“虛地”是指輸出中間端并不是真實的地，而是0.5倍的電源電壓，這樣就不再需要輸出端的Cout濾除偏置電壓了。TS4909能夠省去兩個大容量的輸出電容，完全消除了由Cout帶來的Pop噪聲問題，并且減小了PCB面積，降低了成本。

總結

由此可見，音頻放大器前端的Cin、Cb和后端的Cout都有可能成為Pop噪聲產生的原因，在手機設計過程中，首先應該分析Pop噪聲產生的原因，再采取不同的方法解決。無論是手機揚聲器還是立體聲耳機，只要選擇相應的器件并合理配置外圍元件，Pop噪聲都能得到有效的抑制。

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