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消除手機(jī)中的耳機(jī)爆破音和TDMA噪聲

發(fā)布時間:2010-02-10

中心議題:
  • 關(guān)于耳機(jī)爆破音
  • 耳機(jī)驅(qū)動器引起的TDMA噪聲
解決方案:
  • 單電源供電的耳機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部產(chǎn)生一個負(fù)電源
  • 耳機(jī)插座的公共回路不接地,接一個通常是耳機(jī)驅(qū)動器電源電壓一半的偏置電壓
隨著音樂手機(jī)概念的風(fēng)行,手機(jī)不再是一個簡單的通話工具,人們越來越關(guān)心手機(jī)的音樂播放音效,這給手機(jī)音頻設(shè)計也帶來了越來越多的壓力。本文概述手機(jī)模擬音頻設(shè)計中經(jīng)常會遇到的耳機(jī)爆破音、TDMA噪聲產(chǎn)生的機(jī)理,并介紹通過選擇合適的耳機(jī)驅(qū)動器來解決這些問題。

關(guān)于耳機(jī)爆破音
  
在手機(jī)中,無論基帶芯片或應(yīng)用處理器中集成的耳機(jī)驅(qū)動器,或者分立的耳機(jī)驅(qū)動器都是單電源供電的,其用來驅(qū)動耳機(jī)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(jī)的直流阻抗只有16或32歐姆,為了降低耳機(jī)驅(qū)動器直接驅(qū)動動圈耳機(jī)的功耗,并減小直流偏置對耳機(jī)的損害,輸出信號有直流偏置的耳機(jī)驅(qū)動器會要求在功放和耳機(jī)之間串聯(lián)一個隔直電容。

該隔直電容會和耳機(jī)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(jī)的阻抗,C為隔直電容的容值)。為了改善耳機(jī)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(jī)的阻抗是固定的,為獲得更好低頻響應(yīng)唯一可以改變的就是電容容值,所以一般用于耳機(jī)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
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由于電容的存在,當(dāng)耳機(jī)驅(qū)動器第一次上電或從關(guān)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(chǎn)生一個瞬時的充電電流,同樣耳機(jī)驅(qū)動器斷電時也會產(chǎn)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(dǎo):
  
  
即電容充放電產(chǎn)生的電流。圖2揭示了當(dāng)耳機(jī)驅(qū)動器上電和斷電時,隔直電容充放電電流在耳機(jī)負(fù)載上產(chǎn)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(nèi)就形成了爆破音。



圖2耳機(jī)驅(qū)動器上電和斷電時耳機(jī)上測到的電壓波形和頻譜
  
由于在依賴電池供電的手機(jī)等便攜式設(shè)備中,為了降低功耗,延長電池使用時間,經(jīng)常需要在不需使用耳機(jī)驅(qū)動器時將其關(guān)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(fā)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(chǎn)了一顆專門用來消除耳機(jī)爆破音的膠合邏輯芯片MAX9890??紤]到隔直電容是產(chǎn)生耳機(jī)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。
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目前業(yè)界有兩種去除隔直電容的方案,第一種是耳機(jī)插座的公共回路不接地,而是接一個通常是耳機(jī)驅(qū)動器電源電壓一半的偏置電壓,這樣耳機(jī)驅(qū)動器輸出信號相對該偏置電壓為正負(fù)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(jī)插座內(nèi)插入金屬異物導(dǎo)致公共回路對地短路,可能導(dǎo)致過熱產(chǎn)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(jī)驅(qū)動器內(nèi)部產(chǎn)生一個負(fù)電源,該負(fù)電源通常采用內(nèi)部的反壓電荷泵產(chǎn)生,這樣的耳機(jī)驅(qū)動器實(shí)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(fù)對稱的,因此也不需要隔直電容,如圖3所示。


圖3耳機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部產(chǎn)生一個負(fù)電源供電,輸出波形相對GND正負(fù)對稱
  
第二種方案對改善耳機(jī)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(jī)驅(qū)動器上電瞬態(tài)過程,而右圖為內(nèi)部利用電荷泵產(chǎn)生負(fù)電源的耳機(jī)驅(qū)動器上電瞬態(tài)過程(不再需要隔直電容),可以看出,去掉了隔直電容后耳機(jī)驅(qū)動器上電對耳機(jī)上幾乎看不到什么影響。


圖4去掉隔直電容對耳機(jī)爆破音的改善
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去掉隔直電容除了能夠消除爆破音,另一個好處是耳機(jī)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(jīng)過內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)電源的耳機(jī)驅(qū)動器后的波形和經(jīng)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(nèi)部產(chǎn)生負(fù)電源的耳機(jī)驅(qū)動器輸出,
經(jīng)過隔直電容后的波形

關(guān)于耳機(jī)驅(qū)動器引起的TDMA噪聲
  
雖然業(yè)內(nèi)已有多家半導(dǎo)體公司可以提供利用電荷泵在芯片內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)電源,輸出不需要隔直電容的耳機(jī)驅(qū)動器。但GSM手機(jī)硬件工程師在選擇耳機(jī)驅(qū)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(jī)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(lán)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(jī)驅(qū)動器。
  
GSM的射頻PA工作時產(chǎn)生的217HzBurst會通過天線耦合到耳機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部,而217Hz的射頻Burst包絡(luò)被耳機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部電路解調(diào)后,在耳機(jī)驅(qū)動器輸出就形成了所謂的TDMA噪聲。
  
耳機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部電路的不同設(shè)計導(dǎo)致其對射頻Burst的抗解調(diào)能力不同,圖6所示為Maxim公司一款內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)電壓的耳機(jī)驅(qū)動器MAX9724和業(yè)界一款同類耳機(jī)驅(qū)動器的對射頻信號的抗解調(diào)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(diào)能力分別提高62dB/37dB/67dB/49dB。選用抗射頻解調(diào)能力強(qiáng)的耳機(jī)驅(qū)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6Maxim公司的耳機(jī)驅(qū)動器MAX9724極大提升了抗射頻解調(diào)能力
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