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2010-11-15 11:47:33
喀嗒声指恼人的音频瞬态噪声，在耳机放大器打开或关闭时由耳机产生。通过去掉传统耳机放大器输出端的隔直电容，美信公司的DirectDrive专利技术可去除喀嗒声，同时提供更好的低频响应。本文先阐述DirectDrive原理，如何工作以及带来的优点。然后介绍一个在手机等便携设备上已验证的去除耳机喀嗒声的方法。
便携音频产品的差异化一直是个热门话题。什么特点能让产品A相比竞争产品B更出色？通常的音频指标（频响平坦度、总谐波失真加噪声值等）都如此相似以至于难分胜负。用户界面当然是有明显差异，但这往往带有太多的主观性。我们希望有一个客观的音频指标，它可以帮助产品脱颖而出。
耳机打开或关闭时的喀嗒声就是一个重要且客观的音频指标。随着人们对音频性能的期望越来越高，去瞬态噪声处理已逐渐成为便携音频产品的一个关键卖点。
传统耳机放大器
在便携音频系统中，电源管理对延长电池使用时间很重要，所以很多功能模块在不使用时经常被关闭。这种设计思路使得音频喀嗒声更容易出现。理想器件在打开或者关闭时没有音频输出，但实际音频放大器总是会或多或少的产生喀嗒声。
大部分由电池供电的传统耳机放大器都是单电源供电，它们工作在正电压和地之间。这些放大器只能通过正信号，而放大器输入的音频信号则有正有负。所以，放大器必须加入直流偏置才能接受音频信号。为了获得最大的信号摆幅，直流偏置点一般都设定为供电电压的一半（图1）。
图1. DirectDrive放大器的输出波形和传统耳机放大器的输出波形对比
虽然放大器需要直流偏置，但耳机却只接受交流信号。将直流偏置加到耳机上，耳机动圈会从中间位置移至最边界。这意味着耳机输出的声压将出现失真。同时，消耗在耳机线圈的直流信号造成了能量损失和不必要的热。在极端情况下，这些热可能会永久性损坏耳机。
传统音频系统包括隔直电容，它可以阻止直流偏置进入耳机。该电容和阻性负载组成了高通滤波器。因为传统耳机的等效阻抗为32Ω，隔直电容必须足够大才不会阻止音频通过：
为了让低至20Hz的音频通过，我们要使用至少250uF的电容。如果耳机阻抗为16Ω，那么我们将需要至少500uF的隔直电容。
某些系统可能有足够空间来使用相对便宜的铝电解电容，但大部分便携设备无法做到。因而，我们必须使用昂贵的钽电容，即使这样钽电容仍然需要相当的板上空间。我们也可以使用较小容值的电容来节约空间和成本，但无法保证低至20Hz的平坦频响曲线（图2）。
图2. 16Ω耳机放大器的频响曲线
“无偏置”技术介绍
包括美信在内的一些公司开发了不需要直流偏置的耳机放大器（该电路在美信的专利为DirectDrive，本文称为无偏置）。虽然无偏置耳机放大器由单电源供电，它仍然能通过正、负信号。负摆幅由板载电荷泵产生的负电源实现，该负电源可以跟踪相应正电源的幅度。这样，放大器就成为了零偏置（图1）。
无偏置设计中的电荷泵只需要两个很小的外部陶瓷电容：一个飞跨电容和一个保持电容。一般，它们的容值为1uF，体积为0402（0.4×0.2mm）。因而，相比包含220uF大电容的传统耳机放大器电路，无偏置设计在提供卓越性能的同时还节省了空间。
走近“喀嗒声”
现在，我们从电气角度来分析喀嗒声。在传统耳机放大器中，输出电容在放大器打开时会充电，在关闭时会放电。因为电容的电荷将流过耳机，所以充、放电过程将产生恼人的喀嗒声。图3为喀嗒声的等效电路，Vcc/2电源代表耳机放大器输出端的直流偏置。
图3. 喀嗒声的等效电路，C1代表隔直电容，R1代表耳机负载
S1和S2不能同时打开或者关闭，它们用来模拟耳机放大器的打开和关闭：
(a) S1断开，S2闭合:
(b) S1闭合，S2断开:
(c) S1再次断开，S2再次闭合:
图4
图4中的黄色波形描述了喀嗒声。 图4. 喀嗒声的理论波形。
已验证方案
2008年全球生产了超过4亿支手机，很多用户都抱怨手机的音频质量。为什么？因为设计师只有两种选择：
要么使用大的隔直电容来获得较好的低频响应，但用户得忍受打开或关闭耳机时产生的喀嗒声。要么通过使用较小的隔直电容来减小喀嗒声，但用户无法欣赏200Hz以下的低音。音频工程师努力通过软启动或者电容充、放电方法来解决这个难题，但效果始终不理想。
我们为什么不尝试下全新的方案呢？
新一代立体声耳机放大器MAX9724包含专利电路，它可通过单电源来产生零偏置音频输出。由于不需要大的隔直电容，此方案可节省成本、空间和器件高度。下面，我们通过一个简单的测试来比较QSC60xx的喀嗒声和使用DirectDrive电路后的效果（图5）。QSC60xx是CDMA手机的主流基带芯片，像很多其它基带或音频编解码芯片一样，它集成了耳机输出功能。
图5
图5. 测试对比了两种处理喀嗒声的效果。左声道是QSC60xx的原始设计，右声道是美信MAX9724耳机放大器。音频测试信号为1kHz正弦波。
当你插入耳机，QSC60xx在没有音频输入的情况下首先打开耳机放大器（图6的黄色波形的上升沿），然后在40-50ms后给耳机放大器输入1kHz正弦波（图6的黄色波形的正弦波部分）。
图6
图6. 耳机放大器第一次打开时对比试验波形。紫色波形表示了图5的耳机放大器打开时产生的喀嗒声
当QSC60xx打开耳机放大器时，图6的紫色脉冲就是恼人的喀嗒声。如果MAX9724在喀嗒声之前就已经打开，那么它将放大这些喀嗒声（即使MAX9724自身不产生喀嗒声）。为了解决这个问题，我们在QSC60xx打开耳机放大器之后的20-30ms再打开MAX9724。结果，这样就可以获得完全没有喀嗒声的开机波形（图6的绿色波形）。
这里，需要注意两点：
1. 当我们打开MAX9724时，它自身不产生喀嗒声（详见图6的红色和绿色波形）
2. 必须在喀嗒声过后再打开MAX9724。不然，无偏置放大器会把喀嗒声做信号放大。这就是一些设计即使使用了MAX9724，仍然听到放大了的喀嗒声的原因。
其他要点
另外，还有一个奇怪的现象经常困扰音频工程师。他们发现可以通过选用小容值电容或不停开、关耳机放大器来大幅度的减小喀嗒声。首先，我们要澄清两件事：
* 无论你使用10uF或250uF隔直电容，喀嗒声的峰值电压始终为Vcc/2。当然，电容充电时间是不一样的。大电容需要更长时间充电，这样你就容易听见喀嗒声。通过延后MAX9724打开，将滤除QSC60xx打开耳机放大器时产生的喀嗒声。
当关掉耳机放大器后，大的隔直电容将需要更长时间放电。但如果不停的快速打开、关闭耳机放大器，电容在较短时间内将无法完全放电。结果，大的隔直电容上的电压下降较慢。当耳机放大器再次打开时，输出端的直流偏置电压将从800~1000mV升至Vcc/2，而不是从0V升至Vcc/2（图7中黄色波形的起始电压）。因而，我们在图7的紫色波形上看到了一个较小的峰值电压（相比图6的紫色波形）。
图7
图7. 当耳机在关断后再次迅速打开的对比试验。紫色波形有一个较小的喀嗒声幅度（对比图6的紫色波形）
从上面的对比试验，我们可以得出两个简单结论：
* 大的隔直电容在耳机放大器第一次打开时产生较大喀嗒声，但当不停打开、关闭耳机放大器时喀嗒声较小。参考图8的100uF隔直电容的紫色波形。
* 小的隔直电容在耳机放大器第一次打开时产生较小喀嗒声，但当不停打开、关闭耳机放大器时喀嗒声较大。较小的隔直电容意味着较短的放电时间（电容电压下降较快），当耳机放大器再次打开时将产生较大的升压。
图8. 100uF的隔直电容在耳机放大器不停开关时产生较小的喀嗒声（紫色波形）
无论是大的隔直电容还是小的隔直电容，用户都将听到喀嗒声，只是在不同的时间点以及不同的噪声大小。另一方面，我们可以通过使用无偏置放大器和延后打开时间的方法完全消除这些喀嗒声。图7~9的绿色波形表示了耳机放大器打开或关闭断时的没有任何喀嗒声输出。
结论
很明显，通过去掉传统耳机放大器的输出耦合电容，无偏置技术可以减小体积和成本。同时，它还具有以下优点：
1. 喀嗒声抑制：无偏置技术的最大优点是去除喀嗒声。通过去掉隔直电容，无偏置技术去除了喀嗒声的主要源头。
2. 更好的低音性能：隔直电容和耳机阻性负载形成了高通滤波器。大多数系统无法使用能提供20Hz~20kHz频响的大电容。小电容的折衷方法虽然节省了空间和成本，但提高了低频截止频点，损害了低频性能。这个缺点在16Ω的耳机系统中更加明显。
无偏置技术去除了高通滤波器，因而只由输入耦合电容来决定拐角频点。由于耳机放大器的输入阻抗一般大于10kΩ，1uF或者更小的电容就足够通过全音频信号。例如，MAX9724的输入阻抗为20kΩ，那么0.47uF的电容就足够了：
3. 低电压工作：无偏置技术可以让耳机放大器使用数字芯片电源。比电池更低的电源可以提供耳机放大器的效率。之前常用的3.3V或2.5V电源已经被1.8V电源取代。注意，传统耳机放大器在1.8V电源下只能给32欧姆负载提供10mW功率。
无偏置放大器的电荷泵给放大器提供了两倍的电源，在相同的1.8V电源下可提供40mW的功率。因而，耳机放大器在提供足够声压时可更有效率。
4. 减少失真：最后，传统耳机放大器的输出电容在低频段会引入音频失真。在接近低频拐角处，电容的电压系数的非线性会引入失真。在某些情况下，该失真可达到1%，从而被人耳察觉（图9）。通过去除耦合电容，无偏置放大器消除了这个失真源。
图9. 大的电解隔直电容会引入较大音频失真
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