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強化耳機:耳機放大器中爆裂/喀擦聲的噪音抑制
 

【作者: Bharath Vasan等人】   2017年01月03日 星期二

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在通電或變換聲頻系統操作模式中,所發出煩人的雜訊通常被稱為爆裂(pop)或是喀擦(click)噪音。因為高效率耳機中驅動器的關係,這些雜訊對高保真耳機系統來說是極大的顧慮。即便是訊號電壓中較小的瞬態,也會在耳機中產生很吵且令人不悅的聲音。為了提升使用者經驗並防止耳機或其它敏感電子產品的損毀,許多系統使用電路來抑制電力增強時放大。



圖1 :  運算放大器驅動耳機負載
圖1 : 運算放大器驅動耳機負載

讓我們來看看運算放大器中爆裂/喀擦噪音的常見來源。


圖1是驅動耳機負載的運算放大器的簡化版圖解。其中包括兩個層級─一個增益級和一個輸出緩衝器,以及一個補償電容器、共集極(Cc)和一個偏移電壓,Vos(Voltage Overscaling)。如圖所示,輸出緩衝器是一個單位增益級,能夠汲極/源極電流。


爆裂/喀擦噪音通常與運算放大器輸出針腳處的瞬態有關。噪音的主要來源有:


電源斜升

通電時,VCC和VEE逐漸上升。在運算放大器到達其最低電源供應需求前,它尚未到達穩態運行,且不能調節輸出。在此期間,輸出針腳處會產生較大的瞬態。斷電時,VCC和VEE下降時可能伴隨類似的瞬態,也可能造成VCC和VEE的不對稱斜升。


啟動/關閉放大器

許多運算放大器包含啟動和關閉裝置的選項。啟動命令會打開運算放大器的內部偏壓電路。偏壓電流上升時,增益級開始將補償電容器充電至適當電壓,輸出緩衝器中的汲極/源極電流開始穩定,運算放大器也接近穩態。在這個階段,輸出緩衝器中不對等的汲極/源極電流會導致電流被注入負載中。這可能會導致明顯的爆裂/喀擦噪音。關機命令後亦可能產生類似的瞬態。


放大器的偏移電壓

有趣的是,偏移電壓是爆裂/喀擦噪音的一個來源。放大器一旦接近穩態後,放大器的輸出跳到放大器的補償上(或Vos/β,β=回饋係數)。若補償到達一定大小,輸出中的變化就聽得到。


具有整合噪音抑制功能的放大器能夠顯著地簡化聲頻系統。OPA1622高效能耳機放大器就包含裝置處於啟動或關機模式時抑制噪音的解決方案。圖2是OPA1622的圖解。



圖2 :  OPA1622圖解
圖2 : OPA1622圖解

啟動電路(ENC)可在放大器處於啟動或關機模式時保持對輸入級和輸出級的控制。啟動後,ENC能夠平穩地轉換為驅動增益級和輸出級。關機後,ENC能夠控制補償電容器的充電,並關閉增益級和輸出級。小心地最佳化進出關機模式的過渡,可確保極小的電流注入到耳機負載中,進而最大幅度地減少噪音。


在OPA1622開發期間,TI著重於將偏移電壓最佳化並減少其生成的噪音。OPA1622的偏移電壓是典型的50μV,最高為500μV。


圖3和圖4分別顯示了OPA1622在啟動和關機期間的效能。只有極小的輸出瞬態會伴隨啟動或關機的過程。輸出瞬態發生的時間極短,因此使用耳機時聽到的可能性不大。



圖3 : 啟動高瞬態 (32Ω) 時的輸出電壓
圖3 : 啟動高瞬態 (32Ω) 時的輸出電壓

圖4 :  啟動低瞬態 (32Ω) 時的輸出電壓
圖4 : 啟動低瞬態 (32Ω) 時的輸出電壓

有許多因素能夠影響爆裂/喀擦噪音於運算放大器驅動耳機中的程度。藉由包含爆裂/喀擦噪音抑制電路,OPA1622能夠提升聲頻應用中的整體使用者體驗。


(本文由德州儀器提供;作者為Bharath Vasan, John Caldwell)


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