如何消除手机的耳机爆破音和TDMA噪声

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随着音乐手机概念的风行,手机不再是一个简单的通话工具,人们越来越关心手机的音乐播放音效,这给手机音频设计也带来了越来越多的压力。本文概述手机模拟音频设计中经常会遇到的耳机爆破音、TDMA噪声产生的机理,并介绍通过选择合适的耳机驱动器来解决这些问题。

关于耳机爆破音

在手机中,无论基带芯片或应用处理器中集成的耳机驱动器,或者分立的耳机驱动器都是单电源供电的,其用来驱动耳机的单端信号输出电平通常介于电源电压和GND之间,正常播放音乐时输出的交流信号会带有Vcc/2的偏置电压。由于动圈耳机的直流阻抗只有16或32欧姆,为了降低耳机驱动器直接驱动动圈耳机的功耗,并减小直流偏置对耳机的损害,输出信号有直流偏置的耳机驱动器会要求在功放和耳机之间串联一个隔直电容。该隔直电容会和耳机阻抗形成一个高通滤波器,理想条件下该高通滤波器的3dB低频截止频率为1/2πRC(R为耳机的阻抗,C为隔直电容的容值)。为了改善耳机低频音效,我们希望此高通滤波器的低频截止频率越低越好,但由于耳机的阻抗是固定的,为获得更好低频响应唯一可以改变的就是电容容值,所以一般用于耳机输出的隔直电容容值都很大,图1所示为选择不同容值的隔直电容时形成的高通滤波器频响曲线。



图1 采用不同容值的隔直电容时形成的高通滤波器频响

由于电容的存在,当耳机驱动器第一次上电或从关断模式唤醒时,带有直流偏置的输出信号加载到隔直电容上的瞬间,电容上的电压建立过程会产生一个瞬时的充电电流,同样耳机驱动器断电时也会产生一个瞬时的放电电流。这是因为电容存储的电量为:

Q=C×V

两边对时间t求导:

而即电容充放电产生的电流。图2揭示了当耳机驱动器上电和断电时,隔直电容充放电电流在耳机负载上产生的电压瞬变,由于该电压瞬变的频谱很宽,落在人耳可以的听到频率范围内就形成了爆破音。



图2 耳机驱动器上电和断电时耳机上测到的电压波形和频谱

由于在依赖电池供电的手机等便携式设备中,为了降低功耗,延长电池使用时间,经常需要在不需使用耳机驱动器时将其关断,因而爆破音将会是硬件工程师必须要面对的问题。聪明的硬件工程师们发明了许多种胶合逻辑电路来消除由于电容瞬时充放电引起的爆破音,Maxim公司还生产了一颗专门用来消除耳机爆破音的胶合逻辑芯片MAX9890。考虑到隔直电容是产生耳机爆破音的元凶,因此从电路中去除隔直电容才是消除爆破音最根本的解决方案。

目前业界有两种去除隔直电容的方案,第一种是耳机插座的公共回路不接地,而是接一个通常是耳机驱动器电源电压一半的偏置电压,这样耳机驱动器输出信号相对该偏置电压为正负对称的电平,不再需要隔直电容。但这种方案存在一个隐患,如果耳机插座内插入金属异物导致公共回路对地短路,可能导致过热产生危险。

第二种去除隔直电容的方式是在单电源供电的耳机驱动器内部产生一个负电源,该负电源通常采用内部的反压电荷泵产生,这样的耳机驱动器实际上是采用的是的双电源供电,其输出信号是相对于GND正负对称的,因此也不需要隔直电容,如图3所示。



图3 耳机驱动器内部产生一个负电源供电,输出波形相对GND正负对称

第二种方案对改善耳机爆破音的效果可以参见图4所示,其中,左图为使用隔直电容且单电源供电的耳机驱动器上电瞬态过程,而右图为内部利用电荷泵产生负电源的耳机驱动器上电瞬态过程(不再需要隔直电容),可以看出,去掉了隔直电容后耳机驱动器上电对耳机上几乎看不到什么影响。



图4 去掉隔直电容对耳机爆破音的改善

去掉隔直电容除了能够消除爆破音,另一个好处是耳机低频输出也得到了很大的改善,图5所示为一个扫频信号经过内部产生负电源的耳机驱动器后的波形和经过隔直电容后的波形对比。





图5 由上至下依次为:扫频信号输入,内部产生负电源的耳机驱动器输出,经过隔直电容后的波形

关于耳机驱动器引起的TDMA噪声

虽然业内已有多家半导体公司可以提供利用电荷泵在芯片内部产生负电源,输出不需要隔直电容的耳机驱动器。但GSM手机硬件工程师在选择耳机驱动器时还需要多注意一个问题,那就是TDMA噪声。

由于目前的手机外形越来越小巧,PCB板面积被大大压缩,在有限的板面积上有时还会集成蓝牙,GPS,Wi-Fi等密集的射频器件,GSM天线很有可能受到PCB的布局限制比较靠近耳机驱动器。

GSM的射频PA工作时产生的217Hz Burst会通过天线耦合到耳机驱动器内部,而217Hz的射频Burst包络被耳机驱动器内部电路解调后,在耳机驱动器输出就形成了所谓的TDMA噪声。

耳机驱动器内部电路的不同设计导致其对射频Burst的抗解调能力不同,图6所示为Maxim公司一款内部产生负电压的耳机驱动器MAX9724和业界一款同类耳机驱动器的对射频信号的抗解调能力对比,从图中可以看出,在850M/900M/1800M/1900M四个GSM频段,MAX9724的抗射频解调能力分别提高62dB/37dB/67dB/49dB。选用抗射频解调能力强的耳机驱动器除了能够降低TDMA噪声, 另外还会给PCB的射频和音频布局带来非常大的灵活性。





图6 耳机驱动器MAX9724极大提升了抗射频解调能力

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