手机音频设计中Pop噪声的产生机理和问题解决方案

手机日益普及，已成为生活中不可缺少的通讯工具。而且手机的功能已不仅仅限于通话，手机早已成为时尚潮流的标志和音频视频娱乐的一个载体，MP3、FM收音机、手机电视、数码拍照等等都逐渐成为中高端手机必不可少的功能。尤其是音乐手机的推出对手机的音质提出了更高的要求。然而在手机音频的设计中，Pop噪声问题一直是困扰工程师的难题之一。本文将分别阐述针对手机的扬声器和立体声耳机Pop噪声的产生机理，并介绍意法半导体针对这些问题提出的解决方法。

Pop 噪声

手机用音频器件大部分都采用单电源供电，因为这样可以简化电源的设计和延长待机时间。而这时，音频放大器的输入信号和输出信号往往会叠加上0.5倍电源电压的直流电压偏置。所以，在音频输入端需要加输入电容（Cin）滤除音源的偏置电压（Vbias）；在输出端使用单端接法时，也需要输出电容（Cout）滤掉这个偏置电压，避免它在扬声器两端产生额外功耗。另外，还需要一个偏置电容（Cbias）来稳定偏置电压，同时提高音频功放的电压抑制比。

Pop噪声是指音频放大器在上电、断电瞬间以及在待机切换时，电源对输入电容，偏置电容或输出隔直电容充电所产生的爆破声。对电容的瞬时充电往往在输出端会产生一个尖峰电压，此电压加在扬声器两端，如图1所示，生成电流并切割磁力线，产生作用力，使扬声器发出Pop-click噪声。

手机扬声器的Pop噪声解决方法

TS4990是意法半导体具有1.2W输出能力的单声道AB类放大器，其典型应用原理图如图2所示，图2a和图2b分别是单端和差分接法，而输出皆采用了BTL方式，不仅可以增大输出功率，也取消了输出端隔直电容。在图中可以看到输入电容Cin和偏置电容Cb，此时Pop噪声的原因就是两电容的充电顺序问题。

在放大器启动时，作为音频放大器内部偏置电压滤波器的旁路电容Cb以一个恒定的速率线性充电，如图3所示，在Cb两端电压充电到0.5倍电源电压时放大器才开始正常工作，这个充电时间就是音频放大器的启动时间。在启动时间内，放大器输出端无任何信号输出。同时，输入电容Cin也以指数的速率充电，但是其充电回路中串联了增益电阻Rin，增益电阻往往是几十kΩ，这样大大延长了其充电时间。如果在启动时间内，Cin完成充电，则不会有Pop噪声问题，但是如果Cin在启动时间内没有完成充电，会产生Pop噪声，如图3中红线所示。这是因为旁路电容Cb已经完成充电，正常工作的音频放大器把Cin充电的信号放大到放大器输出端，产生了如图1的噪声电压。

为了消除Pop噪声，要选择合适的Rin、Cin、Cb的值，确保要在Cb充电完成之前Cin已经完成充电，也就是说，Cin的时间常数tin应该远小于与Cb对应的启动时间Tb：tin《图4分别是与Cb对应的启动时间和Cin时间常数最大值，可以作为选择电容时的参考。然而，输入电容和输入电阻Rin构成一个高通滤波器，通常这个频率被设置在100Hz或者更高，一些高质量音频的手机为了耦合更低频的声音会将其限定在几十赫兹的范围内。所以设计时要考虑增益和音频信号的最低输入频率。截止频率计算方法如下式所示。

如果在设计电路和选择器件时能够按照以上规则进行，即使在很大增益的情况下TS4990也能达到接近于零的Pop噪声。TS4990在和一般音频放大器比较时显示出优秀的Pop噪声抑制能力。除在外围电路上的设计之外，还可以采用软件的方法来消除Pop噪声。音频放大器一般都会有一个Standby管脚，在播放音乐或语音时，可以先让音频放大器处于Standby状态，然后输入音频信号，几十毫秒以后再打开音频放大器，同样可以有效地消除Pop噪声。

还有一点要说明的是，差分输入的音频放大器具有很好的噪声抑制能力，如ST的AB类音频放大器TS4994和D类的TS4962。但在选择差分电路的输入电阻和输入电容时，要分别注意两个电阻和电容之间精度匹配的问题。选择时尽量使用高精度的电阻和电容，如果精度不高，也容易带来Pop噪声问题。

立体声耳机的Pop噪声解决方法

手机中立体声耳机每个声道负载阻抗约32Ω，输出功率较小，因此，针对耳机使用的音频放大器输出都采用单端方式的AB类放大器，同样是单电源供电。TS488/9是意法半导体立体声耳机驱动器，本身具有Pop噪声的抑制电路，输入电容、偏置电容和输出电容三者同时存在，Pop噪声来自两个地方，首先是输出电容的充电引起，其次是输入电容和偏置电容的充电顺序问题，这和TS4990十分类似。下面重点介绍由于输出电容引起的Pop噪声问题。

与输出为桥式接法（BTL）的音频放大器不同，单端接法需要添加大的隔直电容Cout来消除Vbias，否则Vbias会在耳机上产生直流损耗，使效率降低，甚至损坏耳机。在上电期间，放大器的输出信号对Cout瞬间充电到Vbias；而在断电时，电容两端的电压又从Vbias放电至0V，波形如图5所示，输出电容的瞬间充/放电就会在耳机上产生Pop噪声。

同时由于Cout和负载形成一个高通滤波器（下式），Cout的大小直接决定截止频率（fc）。为了获得更好低音性能，一般要大于100mF。这样大的电容使Pop噪声愈加明显，Pop噪声的大小成为考核手机音质的一个重要指标。

 

为消除Cout引起的Pop噪声，一般采用对Cout进行预充放电的方式，用一个ST的单刀双掷模拟开关STG3155对输出电容在初始阶段进行预充电，通过设置电阻R和电容C调节充电时间，以避免对Cout的充电信号落入音频范围（20kHz~20kHz）。充电完成后，再将此开关断开。实验证明，这种方法可以有效地消除由于隔直电容带来的Pop噪声。

在实际使用中，由于输出电容Cout容值较大，增加了PCB板的面积和成本，且降低了音频信号的低频性能。意法半导体不断推出新的音频放大器消除输出电容。新推出的TS4909立体声耳机放大器在TS488的基础上增加了“虚地”的特性，所谓“虚地”是指输出中间端并不是真实的地，而是0.5倍的电源电压，这样就不再需要输出端的Cout滤除偏置电压了。TS4909能够省去两个大容量的输出电容，完全消除了由Cout带来的Pop噪声问题，并且减小了PCB面积，降低了成本。

总结

由此可见，音频放大器前端的Cin、Cb和后端的Cout都有可能成为Pop噪声产生的原因，在手机设计过程中，首先应该分析Pop噪声产生的原因，再采取不同的方法解决。无论是手机扬声器还是立体声耳机，只要选择相应的器件并合理配置外围元件，Pop噪声都能得到有效的抑制。

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