POP”噪聲是指音頻器件在上電、斷電瞬間以及上電穩(wěn)定后，各種操作帶來的瞬態(tài)沖擊所產(chǎn)生的爆破聲。本文將討論幾種常用的解決方法及其工作原理，這些方法針對具體的集成電路具有各自特點，應(yīng)用時需要根據(jù)實際情況綜合考慮。

本文提到的音頻系統(tǒng)是指音頻半導體器件，包括音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、音頻放大器等的應(yīng)用系統(tǒng)。產(chǎn)生“POP”噪聲的瞬態(tài)沖擊通常是一種很窄的尖脈沖，用傅立葉分析展開后，其頻譜分量很豐富，且在頻域內(nèi)的能量分布相對平均。本文下面討論的幾種“POP”噪聲解決方法的目的，就是要降低20Hz~20kHz范圍內(nèi)的諧波分量。對絕大多數(shù)人而言，如果信號的峰峰值電壓小于10mV，就已經(jīng)聽不見了。

橋式(BTL)輸出與單端(SE)輸出

橋式結(jié)構(gòu)輸出相對單端模式輸出而言有很多優(yōu)點，比如橋式模式可在相同的電源電壓Vdd條件下，輸出較高的電壓V_OBTL＝2*V_OSE，在相同的負載條件下輸出更大的功率。圖1為這兩種輸出電路的示意圖。

需要指出的是，橋式模式能有效抑制共模噪聲。輸出功率相同時，橋式模式的噪聲明顯小于單端模式的噪聲(如圖2所示，藍色通道接負載兩端，綠色通道接電源Vdd)。這是因為相同的沖擊會同時出現(xiàn)在橋式輸出結(jié)構(gòu)的“＋”、“－”兩端，并通過負載后相互抵消，不對揚聲器做功，因而不會發(fā)出“POP”聲。這種結(jié)構(gòu)對于上電、掉電噪聲以及操作噪聲都有很好的抑制作用。

常見的橋式結(jié)構(gòu)有兩種，它們對抑制“POP”聲的能力有細微差別。圖3左邊的電路是兩個放大單元并聯(lián)連接，同一個輸入信號分別進入兩個放大單元AMP1、AMP2的“＋”、“－”輸入端，而且使它們的放大倍數(shù)保持相同、相位保持相反(相差180度)。在這里，AMP1單元網(wǎng)絡(luò)的增益GAIN_UP＝-R9/R8＝-2，AMP2單元網(wǎng)絡(luò)的增益GAIN_DOWN＝1＋R11/R12＝2。單個電阻的精度誤差通常為±30%，但在同一個芯片內(nèi)，這種偏差朝同一個方向，如果設(shè)計恰當，電阻比值的精度可以保證在±1%以內(nèi)。AMP1、AMP2的DC參數(shù)也同樣朝同一個方向偏差，所以在“＋”、“－”輸出端可以很好地抵消共模信號。

圖3右邊的電路則采用級聯(lián)形式，前一級的輸出信號進入下一級的“－”輸入端，AMP4單元網(wǎng)絡(luò)的增益GAIN_BACK＝-R14/R13＝-1。事實上，AMP3的輸出經(jīng)過AMP4反向后會有一定的延時，在“＋”、“－”輸出端并不能完全抵消。AMP3的失調(diào)電壓等支流誤差信號會在AMP4中復(fù)制，并與AMP4的失調(diào)電壓一起送到“＋”端，而無法與“－”端完全抵消。因此這種結(jié)構(gòu)抑制“POP”聲的效果略差一些，通常用在小功率器件中。

除此之外，還有一種結(jié)構(gòu)也能有效抑制共模噪聲，那就是無輸出耦合電容(OCL)結(jié)構(gòu)(見圖4)。該結(jié)構(gòu)與橋式結(jié)構(gòu)非常類似，在輸出端將直流共模電壓抵消掉，只有交流信號對負載作功。與橋式結(jié)構(gòu)一樣，OCL結(jié)構(gòu)由于省去了耦合電容，可給音頻系統(tǒng)帶來另外一個好處，即系統(tǒng)的頻率響應(yīng)可以延伸到很低的范圍，后面將對此作詳細介紹。

增大V_BIAS的濾波電容

音頻集成電路通常都有一個管腳叫做Vbias，或者Vref、Vmid、Vsvr、bypass等，它是內(nèi)部直流基準電壓，若要內(nèi)部電路能工作，這個偏置電壓必須建立起來。實際應(yīng)用時，該管腳通常外接一個旁路電解電容到地，該電容起濾除噪聲的作用。對于使用正電壓的單電源系統(tǒng)來說，當系統(tǒng)工作穩(wěn)定時，基準電壓值約等于Vdd/2。增大這個電容的容值能抑制“POP”噪聲。當芯片上電或從待機狀態(tài)切換到工作狀態(tài)時，直流偏置電壓開始建立，從0逐漸升高，并對Vbias濾波電容充電。經(jīng)過一定時間后，電壓上升到Vdd/2，此時芯片就可以工作了，輸出的音頻信號基于這個直流電壓上下擺動。同樣，當芯片掉電或進入待機狀態(tài)時，濾波電容放電，偏置電壓開始下降，從Vdd/2下降到0。實驗證明，芯片上電、掉電時的“POP”聲就是由偏置電壓的瞬間跳變引起的。

圖5是仿真結(jié)果，紅線代表Vbias電壓，藍線代表單端模式的負載端輸出(在耦合電容之后，如圖1的左邊電路，Co＝220uF，RL＝16Ω）。如果Vbias跳變得緩慢，“POP”沖擊就會減小(如圖6所示)，此時的沖擊脈沖變寬，幅度有所下降，“POP”聲也變小了。使Vbias的上升、下降過程變緩，就可增加基準電壓的跳變延時。假定濾波電容的充放電電流是個常數(shù)，可把這個過程簡化成一階RC模型，根據(jù)公式(1)，可計算出電壓從0上升到Vbias/2，或者從Vbias/2下降到0所需的時間。

t_dalay＝0.69*R*C (1)

因此，增大Vbias的濾波電容可以減緩直流基準電壓的上升、下降速度，起到減少“POP”噪聲的作用。圖7是增大電容后，基準電壓跳變變緩的效果，其中紅線代表電源電壓Vdd，藍線代表Vbias電壓(假設(shè)Vdd＝5.0V，Vbias＝2.5V)。

有些音頻芯片集成了一個固定的延時電路單元，上電后需要經(jīng)過一段固定延時，Vbias才開始緩慢上升到穩(wěn)定狀態(tài)，此時從低電壓到高電壓的上升延時時間為tpLH。當芯片掉電時，集成電路的實現(xiàn)方式使其很難再延時一段時間才開始下降，但是仍可以增大從高電壓到低電壓的下降延時時間tpHL，以達到更好的抑制效果，此時只需使放電時的等效電阻大于充電時的等效電阻即可。圖8顯示了MAX9890 的Vbias變化時序。

tpLH＝0.69*R_charge*C_BIAS (2)

tpHL＝0.69*R_discharge*C_BIAS (3)

需要注意的是，濾波電容過大會使芯片的建立時間變長，使人感覺聲音“久久”沒有輸出。另外，電容過大還會使音頻系統(tǒng)的重要指標——總諧波失真＋噪聲(THD＋N)變差。這里不解釋詳細原因，取值時請參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊并進行折衷選擇。

減小輸出端的耦合電容

對于單端的輸出結(jié)構(gòu)，在單電源系統(tǒng)中通常需要接一個電容(如圖1所示)。這個電容的作用是：(1)隔斷直流基準電壓Vbias。如果沒有隔直，直流電壓會直接流過后面的揚聲器線圈，使紙盆平衡位置偏向一端，若Vbias過大還可能損壞線圈。(2)耦合交流音頻信號。它與揚聲器負載構(gòu)成了一階高通濾波器(HPF)，根據(jù)公式(4)，電容的大小與低頻處的截止頻率fc有關(guān)。

fc＝1/(2π*RL*Co) (4)

電容Co越大，截止頻率fc則越低，這意味著更低的頻率也可耦合到負載上去(見圖9)。

減小Co的容值可使“POP”沖擊的幅度變小、脈沖寬度變窄。由于“POP”沖擊的頻譜能量大都在高頻，減小Co的容值同樣可以減少可聞噪聲。圖10顯示了電容Co分別為10uF、47uF、100uF、220uF時的“POP”沖擊情況。可以看出，當Co減小到一定值后，再減小該值，噪聲抑制效果提高得很少。但根據(jù)公式(4)，減少電容值可明顯提高截止頻率fc(如圖9所示)，因此設(shè)計工程師必須權(quán)衡，作出一個折衷選擇。

當然，有的芯片具有低音增強特性，可在外部反饋回路中通過增加一個零點的方法，來使低頻部分的增益大于通帶內(nèi)的增益。比如對于LM4838器件來說，調(diào)整電容Cbs的大小就可以調(diào)整增益拐點在頻率上的位置(見圖11)。

用恰當?shù)牟僮鱽硪种啤癙OP”噪聲

在音頻功率放大器芯片上常常有MUTE、STB(Standby)管腳。當MUTE信號有效時，芯片內(nèi)部將輸入端短接到地，其它電路保持正常工作；而當STB信號有效時，則關(guān)斷音頻電路靜態(tài)時最耗電的Vbias偏置電路。對采用CMOS工藝的音頻電路而言，關(guān)斷Vbias偏置電路后的靜態(tài)電流主要是MOS管的亞閾值電流，即MOS管的漏電流(微安級)，管子的閾值電壓越小，此電流值越大。由以上討論可知，若單獨使用STB，由于Vbias的瞬變，難免會引起“POP”噪聲。如果將這兩個管腳按一定順序正確使用，則可有效地抑制開關(guān)機噪聲(見圖12)。芯片上電時，先使MUTE、STB有效，待電源穩(wěn)定后，先釋放STB，再釋放MUTE。掉電操作時，在準備掉電之前先使MUTE有效，然后再使STB有效，直到Vdd變?yōu)?。這是因為通常由MUTE操作引起的“POP” 噪聲要小于STB操作引起的“POP” 噪聲。

圖12容易使人產(chǎn)生這樣一個誤解：STB的操作全被MUTE的作用所覆蓋，是否不需要STB也可以抑制噪聲呢？答案是肯定的，無論STB是什么狀態(tài)，若只使用MUTE且按照圖12的順序執(zhí)行，的確可以抑制“POP”聲。但需要注意的是，芯片在上電過程中(從0到Vdd)，電源只需要達到某個小于Vdd的電壓值，Vbias就會從0跳變到Vdd/2。此時電源還未穩(wěn)定，Vdd會通過輸出驅(qū)動管對負載產(chǎn)生一個無法預(yù)測的隨機沖擊噪聲。如果此時Vbias還未建立(仍為0V)，則該隨機沖擊噪聲的影響很小，至少采用圖12的操作可以抑制電源瞬變沖擊引起的“POP”噪聲。等電源穩(wěn)定后，Vbias帶來的沖擊也只是由從0到Vdd/2(而不是從0到Vdd)的電源跳變引起的。但實際的情況比較復(fù)雜，有些芯片的輸入端的直流基準與輸出端的直流基準是兩個獨立的電壓，當STB有效時，輸出端的Vbias并不跳變；還有些芯片在MUTE有效時是將輸出端短接到地。即使MUTE為有效狀態(tài)，也只是將輸入端接地，輸出端的Vbias沖擊仍然會通過耦合電容Co傳遞到負載。無論情況怎樣，從抑制噪聲的角度考慮，設(shè)計工程師總是希望輸出端的Vbias變化緩慢，最好是保持不變且始終為0V。

使用外部的靜音(MUTE)電路

從以上討論可知，芯片上電、掉電時出現(xiàn)的“POP”噪聲是比較難解決的。事實上也的確如此，沒有Vdd可能意味著整個系統(tǒng)同時失去電源，MCU不能工作，I/O狀態(tài)失去控制，也無法完成圖12所示的操作。但是，仍有一些方法可以解決這個難題，例如使用外部的靜音電路，此時上面提到的“減小‘POP’聲，就是要避免直流瞬變”的思路仍然可用。因此這個靜音電路應(yīng)該具有如下功能：(1)上電時，在Vdd開始上升之前，輸出一個穩(wěn)定的有效信號(假設(shè)為高電平)來驅(qū)動MUTE和STB管腳；(2)掉電時，在Vdd開始下降之前，輸出一個穩(wěn)定的有效信號(假設(shè)為高電平)來驅(qū)動MUTE和STB管腳。

圖13所示的電路基本可以滿足以上兩個要求。當+12V上電時，電荷通過D1到達Q1的e極，也通過R1、R2到達Q1的b極。由于電荷需要對C2充電，所以Q1的b極在上電剛開始的一段時間t_rise內(nèi)比e極低一個閾值電壓，此時Q1導通，在c極輸出一段時間的高電平信號MUTE_OUT1。圖14為外部靜音電路的仿真結(jié)果。

當+12V突然掉電時，C2通過D2迅速放電，此時D2正向?qū)?，將R1短路并形成放電回路。因為C2容值小，儲存電荷少，所以放電時間常數(shù)t_tailrise。C1儲存的電荷不能通過D1釋放，所以Q1的e、b極又出現(xiàn)了壓差，使Q1導通并再次輸出高電平。一旦電源穩(wěn)定后，Q1的b極電壓略高于e極，則Q1截止，MUTE_OUT1處于高阻狀態(tài)。

實際的應(yīng)用系統(tǒng)一般會有多組電源同時存在，由于電壓不同、負載的輕重不同以及所并聯(lián)的去耦電容不同，每組電源的上升、下降時間會有差異。這種現(xiàn)實的差異正是圖13電路的工作前提：將上電、掉電時間短的電源放到+12V處，將上升相對較慢的電源作為音頻Vdd。這一點需要特別強調(diào)。

下面介紹圖13電路的參數(shù)優(yōu)化方法。圖15顯示了外部靜音電路中A、B、C三點的電壓變化情況。在上電、掉電回路有一個公用的器件C2，C2的取值要合適，目的是實現(xiàn)t_tailrise?？梢酝ㄟ^加大充電回路中的電阻R1并減小放電回路中二極管D2的正向電阻，來加大這兩個時間的大小差別。二極管是半導體器件，其正向電阻是非線性的，阻值與流過的正向電流有關(guān)。

R_FOR＝Φ_r/(I_FOR＋I_S) (5)

其中，Φ_r＝kT/q＝26mV@T＝300K，它是一個與溫度有關(guān)的電壓常數(shù)；I_S為飽和電流，是一個與結(jié)面積有關(guān)的常數(shù)。從公式(5)可看出，正向電阻隨正向電流的增大而減小。這里使用系統(tǒng)中較高的電壓+12V作為靜音電路的電源，是為了增加二極管D1的放電電流。在C2充電的過程中，有兩個電流對其充電，其中一個電流來自+12V并經(jīng)過R1，其上升時間(從10%到90%）為：

t_rise＝2.2*R_charge*C (6)

將R1、C2帶入公式(6)計算出上升時間為10.34秒。但實際上的上升時間并沒有這么長，其原因是還有另一個來自Q1的b極的充電電流。Q1導通時，B點的電壓等于A點電壓減去發(fā)射結(jié)壓降，大約為10.6V，集電結(jié)也正偏，管子處于飽和狀態(tài)，因此Q1的b極流出的電流通過R2對C2充電，加速了C點電壓的上升。

+12V電壓穩(wěn)定后，Q1的e、b電壓差減小，管子逐漸截止，MUTE_OUT1輸出為高阻狀態(tài)，集電極開路。當系統(tǒng)突然掉電時，C點電壓突然下降到0.7V(D2的壓降)，e、b端又出現(xiàn)了壓差，導致Q1導通，c極輸出有用的高電平信號。這時C1中儲存的電荷只能通過Q1、R2、D2釋放，為了延長這個放電過程，可以適當增加R2的阻值，但阻值過大會使b極電流減小，使管子的驅(qū)動能力變差。

在系統(tǒng)正常工作時，MUTE信號的開關(guān)可以使用MCU I/O端口作為普通的邏輯信號。為增強驅(qū)動能力，該端口的信號常常經(jīng)過PNP晶體管反相后輸出MUTE_OUT2(見圖16)，這樣當MUTE0為低時，反相后的高電平MUTE_OUT2來自兩個電阻的分壓，即R5與Q2的e、c極飽和電阻Rbe，由于Rbe<

圖15：靜音電路中A，B，C各點的電壓變化。

圖16：使用MCU I/O端口作為第二個MUTE信號。

圖17：兩個MUTE形成“與”的邏輯關(guān)系。