喀嗒聲指惱人的音頻瞬態(tài)噪聲，在耳機(jī)放大器打開或關(guān)閉時由耳機(jī)產(chǎn)生。通過去掉傳統(tǒng)耳機(jī)放大器輸出端的隔直電容，美信公司的DirectDrive專利技術(shù)可去除喀嗒聲，同時提供更好的低頻響應(yīng)。本文先闡述DirectDrive原理，如何工作以及帶來的優(yōu)點(diǎn)。然后介紹一個在手機(jī)等便攜設(shè)備上已驗(yàn)證的去除耳機(jī)喀嗒聲的方法。
便攜音頻產(chǎn)品的差異化一直是個熱門話題。什么特點(diǎn)能讓產(chǎn)品A相比競爭產(chǎn)品B更出色？通常的音頻指標(biāo)（頻響平坦度、總諧波失真加噪聲值等）都如此相似以至于難分勝負(fù)。用戶界面當(dāng)然是有明顯差異，但這往往帶有太多的主觀性。我們希望有一個客觀的音頻指標(biāo)，它可以幫助產(chǎn)品脫穎而出。
耳機(jī)打開或關(guān)閉時的喀嗒聲就是一個重要且客觀的音頻指標(biāo)。隨著人們對音頻性能的期望越來越高，去瞬態(tài)噪聲處理已逐漸成為便攜音頻產(chǎn)品的一個關(guān)鍵賣點(diǎn)。
傳統(tǒng)耳機(jī)放大器
在便攜音頻系統(tǒng)中，電源管理對延長電池使用時間很重要，所以很多功能模塊在不使用時經(jīng)常被關(guān)閉。這種設(shè)計(jì)思路使得音頻喀嗒聲更容易出現(xiàn)。理想器件在打開或者關(guān)閉時沒有音頻輸出，但實(shí)際音頻放大器總是會或多或少的產(chǎn)生喀嗒聲。
大部分由電池供電的傳統(tǒng)耳機(jī)放大器都是單電源供電，它們工作在正電壓和地之間。這些放大器只能通過正信號，而放大器輸入的音頻信號則有正有負(fù)。所以，放大器必須加入直流偏置才能接受音頻信號。為了獲得最大的信號擺幅，直流偏置點(diǎn)一般都設(shè)定為供電電壓的一半（圖1）。
圖1. DirectDrive放大器的輸出波形和傳統(tǒng)耳機(jī)放大器的輸出波形對比
雖然放大器需要直流偏置，但耳機(jī)卻只接受交流信號。將直流偏置加到耳機(jī)上，耳機(jī)動圈會從中間位置移至最邊界。這意味著耳機(jī)輸出的聲壓將出現(xiàn)失真。同時，消耗在耳機(jī)線圈的直流信號造成了能量損失和不必要的熱。在極端情況下，這些熱可能會永久性損壞耳機(jī)。
傳統(tǒng)音頻系統(tǒng)包括隔直電容，它可以阻止直流偏置進(jìn)入耳機(jī)。該電容和阻性負(fù)載組成了高通濾波器。因?yàn)閭鹘y(tǒng)耳機(jī)的等效阻抗為32?，隔直電容必須足夠大才不會阻止音頻通過：
為了讓低至20Hz的音頻通過，我們要使用至少250uF的電容。如果耳機(jī)阻抗為16?，那么我們將需要至少500uF的隔直電容。
某些系統(tǒng)可能有足夠空間來使用相對便宜的鋁電解電容，但大部分便攜設(shè)備無法做到。因而，我們必須使用昂貴的鉭電容，即使這樣鉭電容仍然需要相當(dāng)?shù)陌迳峡臻g。我們也可以使用較小容值的電容來節(jié)約空間和成本，但無法保證低至20Hz的平坦頻響曲線（圖2）。
圖2. 16?耳機(jī)放大器的頻響曲線
“無偏置”技術(shù)介紹
包括美信在內(nèi)的一些公司開發(fā)了不需要直流偏置的耳機(jī)放大器（該電路在美信的專利為DirectDrive，本文稱為無偏置）。雖然無偏置耳機(jī)放大器由單電源供電，它仍然能通過正、負(fù)信號。負(fù)擺幅由板載電荷泵產(chǎn)生的負(fù)電源實(shí)現(xiàn)，該負(fù)電源可以跟蹤相應(yīng)正電源的幅度。這樣，放大器就成為了零偏置（圖1）。
無偏置設(shè)計(jì)中的電荷泵只需要兩個很小的外部陶瓷電容：一個飛跨電容和一個保持電容。一般，它們的容值為1uF，體積為0402（0.4×0.2mm）。因而，相比包含220uF大電容的傳統(tǒng)耳機(jī)放大器電路，無偏置設(shè)計(jì)在提供卓越性能的同時還節(jié)省了空間。
走近“喀嗒聲”
現(xiàn)在，我們從電氣角度來分析喀嗒聲。在傳統(tǒng)耳機(jī)放大器中，輸出電容在放大器打開時會充電，在關(guān)閉時會放電。因?yàn)殡娙莸碾姾蓪⒘鬟^耳機(jī)，所以充、放電過程將產(chǎn)生惱人的喀嗒聲。圖3為喀嗒聲的等效電路，Vcc/2電源代表耳機(jī)放大器輸出端的直流偏置。
圖3. 喀嗒聲的等效電路，C1代表隔直電容，R1代表耳機(jī)負(fù)載
S1和S2不能同時打開或者關(guān)閉，它們用來模擬耳機(jī)放大器的打開和關(guān)閉：
(a) S1斷開，S2閉合:
(b) S1閉合，S2斷開:
(c) S1再次斷開，S2再次閉合:
圖4
圖4中的黃色波形描述了喀嗒聲。 圖4. 喀嗒聲的理論波形。
已驗(yàn)證方案
2008年全球生產(chǎn)了超過4億支手機(jī)，很多用戶都抱怨手機(jī)的音頻質(zhì)量。為什么？因?yàn)樵O(shè)計(jì)師只有兩種選擇：
要么使用大的隔直電容來獲得較好的低頻響應(yīng)，但用戶得忍受打開或關(guān)閉耳機(jī)時產(chǎn)生的喀嗒聲。要么通過使用較小的隔直電容來減小喀嗒聲，但用戶無法欣賞200Hz以下的低音。音頻工程師努力通過軟啟動或者電容充、放電方法來解決這個難題，但效果始終不理想。
我們?yōu)槭裁床粐L試下全新的方案呢？
新一代立體聲耳機(jī)放大器MAX9724包含專利電路，它可通過單電源來產(chǎn)生零偏置音頻輸出。由于不需要大的隔直電容，此方案可節(jié)省成本、空間和器件高度。下面，我們通過一個簡單的測試來比較QSC60xx的喀嗒聲和使用DirectDrive電路后的效果（圖5）。QSC60xx是CDMA手機(jī)的主流基帶芯片，像很多其它基帶或音頻編解碼芯片一樣，它集成了耳機(jī)輸出功能。
圖5
圖5. 測試對比了兩種處理喀嗒聲的效果。左聲道是QSC60xx的原始設(shè)計(jì)，右聲道是美信MAX9724耳機(jī)放大器。音頻測試信號為1kHz正弦波。
當(dāng)你插入耳機(jī)，QSC60xx在沒有音頻輸入的情況下首先打開耳機(jī)放大器（圖6的黃色波形的上升沿），然后在40-50ms后給耳機(jī)放大器輸入1kHz正弦波（圖6的黃色波形的正弦波部分）。
圖6
圖6. 耳機(jī)放大器第一次打開時對比試驗(yàn)波形。紫色波形表示了圖5的耳機(jī)放大器打開時產(chǎn)生的喀嗒聲
當(dāng)QSC60xx打開耳機(jī)放大器時，圖6的紫色脈沖就是惱人的喀嗒聲。如果MAX9724在喀嗒聲之前就已經(jīng)打開，那么它將放大這些喀嗒聲（即使MAX9724自身不產(chǎn)生喀嗒聲）。為了解決這個問題，我們在QSC60xx打開耳機(jī)放大器之后的20-30ms再打開MAX9724。結(jié)果，這樣就可以獲得完全沒有喀嗒聲的開機(jī)波形（圖6的綠色波形）。
這里，需要注意兩點(diǎn)：
1. 當(dāng)我們打開MAX9724時，它自身不產(chǎn)生喀嗒聲（詳見圖6的紅色和綠色波形）
2. 必須在喀嗒聲過后再打開MAX9724。不然，無偏置放大器會把喀嗒聲做信號放大。這就是一些設(shè)計(jì)即使使用了MAX9724，仍然聽到放大了的喀嗒聲的原因。
其他要點(diǎn)
另外，還有一個奇怪的現(xiàn)象經(jīng)常困擾音頻工程師。他們發(fā)現(xiàn)可以通過選用小容值電容或不停開、關(guān)耳機(jī)放大器來大幅度的減小喀嗒聲。首先，我們要澄清兩件事：
* 無論你使用10uF或250uF隔直電容，喀嗒聲的峰值電壓始終為Vcc/2。當(dāng)然，電容充電時間是不一樣的。大電容需要更長時間充電，這樣你就容易聽見喀嗒聲。通過延后MAX9724打開，將濾除QSC60xx打開耳機(jī)放大器時產(chǎn)生的喀嗒聲。
當(dāng)關(guān)掉耳機(jī)放大器后，大的隔直電容將需要更長時間放電。但如果不停的快速打開、關(guān)閉耳機(jī)放大器，電容在較短時間內(nèi)將無法完全放電。結(jié)果，大的隔直電容上的電壓下降較慢。當(dāng)耳機(jī)放大器再次打開時，輸出端的直流偏置電壓將從800~1000mV升至Vcc/2，而不是從0V升至Vcc/2（圖7中黃色波形的起始電壓）。因而，我們在圖7的紫色波形上看到了一個較小的峰值電壓（相比圖6的紫色波形）。
圖7
圖7. 當(dāng)耳機(jī)在關(guān)斷后再次迅速打開的對比試驗(yàn)。紫色波形有一個較小的喀嗒聲幅度（對比圖6的紫色波形）
從上面的對比試驗(yàn)，我們可以得出兩個簡單結(jié)論：
* 大的隔直電容在耳機(jī)放大器第一次打開時產(chǎn)生較大喀嗒聲，但當(dāng)不停打開、關(guān)閉耳機(jī)放大器時喀嗒聲較小。參考圖8的100uF隔直電容的紫色波形。
* 小的隔直電容在耳機(jī)放大器第一次打開時產(chǎn)生較小喀嗒聲，但當(dāng)不停打開、關(guān)閉耳機(jī)放大器時喀嗒聲較大。較小的隔直電容意味著較短的放電時間（電容電壓下降較快），當(dāng)耳機(jī)放大器再次打開時將產(chǎn)生較大的升壓。
圖8. 100uF的隔直電容在耳機(jī)放大器不停開關(guān)時產(chǎn)生較小的喀嗒聲（紫色波形）
無論是大的隔直電容還是小的隔直電容，用戶都將聽到喀嗒聲，只是在不同的時間點(diǎn)以及不同的噪聲大小。另一方面，我們可以通過使用無偏置放大器和延后打開時間的方法完全消除這些喀嗒聲。圖7~9的綠色波形表示了耳機(jī)放大器打開或關(guān)閉斷時的沒有任何喀嗒聲輸出。
結(jié)論
很明顯，通過去掉傳統(tǒng)耳機(jī)放大器的輸出耦合電容，無偏置技術(shù)可以減小體積和成本。同時，它還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1. 喀嗒聲抑制：無偏置技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是去除喀嗒聲。通過去掉隔直電容，無偏置技術(shù)去除了喀嗒聲的主要源頭。
2. 更好的低音性能：隔直電容和耳機(jī)阻性負(fù)載形成了高通濾波器。大多數(shù)系統(tǒng)無法使用能提供20Hz~20kHz頻響的大電容。小電容的折衷方法雖然節(jié)省了空間和成本，但提高了低頻截止頻點(diǎn)，損害了低頻性能。這個缺點(diǎn)在16?的耳機(jī)系統(tǒng)中更加明顯。
無偏置技術(shù)去除了高通濾波器，因而只由輸入耦合電容來決定拐角頻點(diǎn)。由于耳機(jī)放大器的輸入阻抗一般大于10k?，1uF或者更小的電容就足夠通過全音頻信號。例如，MAX9724的輸入阻抗為20k?，那么0.47uF的電容就足夠了：
3. 低電壓工作：無偏置技術(shù)可以讓耳機(jī)放大器使用數(shù)字芯片電源。比電池更低的電源可以提供耳機(jī)放大器的效率。之前常用的3.3V或2.5V電源已經(jīng)被1.8V電源取代。注意，傳統(tǒng)耳機(jī)放大器在1.8V電源下只能給32歐姆負(fù)載提供10mW功率。
無偏置放大器的電荷泵給放大器提供了兩倍的電源，在相同的1.8V電源下可提供40mW的功率。因而，耳機(jī)放大器在提供足夠聲壓時可更有效率。
4. 減少失真：最后，傳統(tǒng)耳機(jī)放大器的輸出電容在低頻段會引入音頻失真。在接近低頻拐角處，電容的電壓系數(shù)的非線性會引入失真。在某些情況下，該失真可達(dá)到1%，從而被人耳察覺（圖9）。通過去除耦合電容，無偏置放大器消除了這個失真源。
圖9. 大的電解隔直電容會引入較大音頻失真
作者：徐隆
資深應(yīng)用工程師
美信集成產(chǎn)品亞洲有限公司上海辦
作者簡介
徐隆，美信集成產(chǎn)品有限公司資深應(yīng)用工程師，在美信工作4年，主要負(fù)責(zé)便攜產(chǎn)品的技術(shù)支持和產(chǎn)品定義。華中科技大學(xué)電子工程碩士學(xué)位。
