|
隨著音樂手機概念的風行，手機不再是一個簡單的通話工具，人們越來越關心手機的音樂播放音效，這給手機音頻設計也帶來了越來越多的壓力。本文概述手機模擬音頻設計中經常會遇到的耳機爆破音、TDMA噪聲產生的機理，并介紹通過選擇合適的耳機驅動器來解決這些問題。 關于耳機爆破音 在手機中，無論基帶芯片或應用處理器中集成的耳機驅動器，或者分立的耳機驅動器都是單電源供電的，其用來驅動耳機的單端信號輸出電平通常介于電源電壓和GND之間，正常播放音樂時輸出的交流信號會帶有Vcc/2的偏置電壓。由于動圈耳機的直流阻抗只有16或32歐姆，為了降低耳機驅動器直接驅動動圈耳機的功耗，并減小直流偏置對耳機的損害，輸出信號有直流偏置的耳機驅動器會要求在功放和耳機之間串聯一個隔直電容。該隔直電容會和耳機阻抗形成一個高通濾波器，理想條件下該高通濾波器的3dB低頻截止頻率為1/2πRC(R為耳機的阻抗，C為隔直電容的容值)。為了改善耳機低頻音效，我們希望此高通濾波器的低頻截止頻率越低越好，但由于耳機的阻抗是固定的，為獲得更好低頻響應唯一可以改變的就是電容容值，所以一般用于耳機輸出的隔直電容容值都很大，圖1所示為選擇不同容值的隔直電容時形成的高通濾波器頻響曲線。 圖1 采用不同容值的隔直電容時形成的高通濾波器頻響 由于電容的存在，當耳機驅動器第一次上電或從關斷模式喚醒時，帶有直流偏置的輸出信號加載到隔直電容上的瞬間，電容上的電壓建立過程會產生一個瞬時的充電電流，同樣耳機驅動器斷電時也會產生一個瞬時的放電電流。這是因為電容存儲的電量為： Q=C×V 兩邊對時間t求導： 而即電容充放電產生的電流。圖2揭示了當耳機驅動器上電和斷電時，隔直電容充放電電流在耳機負載上產生的電壓瞬變，由于該電壓瞬變的頻譜很寬，落在人耳可以的聽到頻率范圍內就形成了爆破音。 圖2 耳機驅動器上電和斷電時耳機上測到的電壓波形和頻譜 由于在依賴電池供電的手機等便攜式設備中，為了降低功耗，延長電池使用時間，經常需要在不需使用耳機驅動器時將其關斷，因而爆破音將會是硬件工程師必須要面對的問題。聰明的硬件工程師們發明了許多種膠合邏輯電路來消除由于電容瞬時充放電引起的爆破音，Maxim公司還生產了一顆專門用來消除耳機爆破音的膠合邏輯芯片MAX9890。考慮到隔直電容是產生耳機爆破音的元兇，因此從電路中去除隔直電容才是消除爆破音最根本的解決方案。 目前業界有兩種去除隔直電容的方案，第一種是耳機插座的公共回路不接地，而是接一個通常是耳機驅動器電源電壓一半的偏置電壓，這樣耳機驅動器輸出信號相對該偏置電壓為正負對稱的電平，不再需要隔直電容。但這種方案存在一個隱患，如果耳機插座內插入金屬異物導致公共回路對地短路，可能導致過熱產生危險。 第二種去除隔直電容的方式是在單電源供電的耳機驅動器內部產生一個負電源，該負電源通常采用內部的反壓電荷泵產生，這樣的耳機驅動器實際上是采用的是的雙電源供電，其輸出信號是相對于GND正負對稱的，因此也不需要隔直電容，如圖3所示。 圖3 耳機驅動器內部產生一個負電源供電，輸出波形相對GND正負對稱 第二種方案對改善耳機爆破音的效果可以參見圖4所示，其中，左圖為使用隔直電容且單電源供電的耳機驅動器上電瞬態過程，而右圖為內部利用電荷泵產生負電源的耳機驅動器上電瞬態過程(不再需要隔直電容)，可以看出，去掉了隔直電容后耳機驅動器上電對耳機上幾乎看不到什么影響。 圖4 去掉隔直電容對耳機爆破音的改善 去掉隔直電容除了能夠消除爆破音，另一個好處是耳機低頻輸出也得到了很大的改善，圖5所示為一個掃頻信號經過內部產生負電源的耳機驅動器后的波形和經過隔直電容后的波形對比。 圖5 由上至下依次為：掃頻信號輸入，內部產生負電源的耳機驅動器輸出，經過隔直電容后的波形 關于耳機驅動器引起的TDMA噪聲 雖然業內已有多家半導體公司可以提供利用電荷泵在芯片內部產生負電源，輸出不需要隔直電容的耳機驅動器。但GSM手機硬件工程師在選擇耳機驅動器時還需要多注意一個問題，那就是TDMA噪聲。 由于目前的手機外形越來越小巧，PCB板面積被大大壓縮，在有限的板面積上有時還會集成藍牙，GPS，Wi-Fi等密集的射頻器件，GSM天線很有可能受到PCB的布局限制比較靠近耳機驅動器。 GSM的射頻PA工作時產生的217Hz Burst會通過天線耦合到耳機驅動器內部，而217Hz的射頻Burst包絡被耳機驅動器內部電路解調后，在耳機驅動器輸出就形成了所謂的TDMA噪聲。 耳機驅動器內部電路的不同設計導致其對射頻Burst的抗解調能力不同，圖6所示為Maxim公司一款內部產生負電壓的耳機驅動器MAX9724和業界一款同類耳機驅動器的對射頻信號的抗解調能力對比，從圖中可以看出，在850M/900M/1800M/1900M四個GSM頻段，MAX9724的抗射頻解調能力分別提高62dB/37dB/67dB/49dB。選用抗射頻解調能力強的耳機驅動器除了能夠降低TDMA噪聲, 另外還會給PCB的射頻和音頻布局帶來非常大的靈活性。 圖6 Maxim公司的耳機驅動器MAX9724極大提升了抗射頻解調能力 |
