利用有源偏置提高立體聲性能

摘要：本應(yīng)用筆記討論了消費(fèi)類音頻產(chǎn)品中有源偏置和無源偏置電路的折衷選擇，并對(duì)這些電路在數(shù)字電位器和音量控制中的使用進(jìn)行了對(duì)比，給出了隔離、靜音等參數(shù)。文中所提供的公式有助于設(shè)計(jì)人員評(píng)估特定情況下的折衷設(shè)計(jì)。

消費(fèi)類產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員需要時(shí)時(shí)處處考慮降低成本。使用數(shù)字電位器和音量控制IC代替機(jī)械電位器雖然提供了更廣泛的用戶接口，但為了保證最佳音質(zhì)，在使用這些新IC時(shí)仍需仔細(xì)考慮電路細(xì)節(jié)。多數(shù)情況下，這意味著要在性能參數(shù)和成本之間進(jìn)行折衷。

本應(yīng)用筆記中，我們將比較用于數(shù)字電位器的有源偏置和無源偏置電路，并分析影響器件性能的可能因素。本文還為設(shè)計(jì)人員提供評(píng)估消費(fèi)類產(chǎn)品設(shè)計(jì)的公式，以便正確折衷設(shè)計(jì)。

音量控制和數(shù)字電位器

以下電路介紹了本文使用的一些術(shù)語。我們將側(cè)重于單電源供電情況，因?yàn)殡姵鼗驂ι线m配器供電產(chǎn)品使用非常普遍。在單電源供電應(yīng)用中，所有電路均由V_DD供電，信號(hào)擺幅介于V_DD和地電位之間。出于成本和性能考慮，級(jí)間可能使用電容，也可能去掉電容。

滑動(dòng)端緩沖器能夠降低通過開關(guān)陣列的電流，改善失真性能。本文探討了偏置電路對(duì)電路性能的影響。


圖1. 信號(hào)源驅(qū)動(dòng)的音量控制

數(shù)字電位器(紅框部分)可以看成由邏輯電路控制的開關(guān)陣列和電阻，仿真機(jī)械電位器的滑動(dòng)接觸端。 音量控制IC (藍(lán)框部分)有別于數(shù)字電位器，它還包括獲得最佳音質(zhì)所需的兩個(gè)關(guān)鍵電路：滑動(dòng)端緩沖器(運(yùn)算放大器)和偏置電路(V_BIAS電壓源)。

無源偏置電路

如果使用數(shù)字電位器，并需要嚴(yán)格控制成本，可以利用無源電阻分壓器產(chǎn)生偏置電壓，如圖2所示。電阻值一般等于將V_BIAS設(shè)定在V_DD和地電位的中點(diǎn)的數(shù)值。為降低V_BIAS交流阻抗、消除噪音，大多數(shù)計(jì)人員會(huì)增加一個(gè)旁路電容C₂。


圖2. 無源偏置電路

單聲道音量控制電路

下面，我們考察一下電路元件的選擇對(duì)音頻性能的影響。根據(jù)圖3計(jì)算偏置電路的源阻抗(有時(shí)稱作電源的“穩(wěn)定性”)。


圖3. 穩(wěn)定性與偏置網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗有關(guān)



首先考察直流情況(s = 0)，上式簡(jiǎn)化為電阻R₁和R₂的并聯(lián)值，將該阻值帶入音量控制電路(圖4)。


圖4. 采用有限阻抗偏置網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)音量

偏置網(wǎng)絡(luò)的有限源阻抗允許將信號(hào)作用在數(shù)字電位器的L端。將滑動(dòng)端調(diào)節(jié)到L端時(shí)對(duì)應(yīng)于器件的靜音狀態(tài)。與所要求的無信號(hào)輸入不同，在此可以檢測(cè)到電壓源V_IN分壓后的信號(hào)。

例如，滑動(dòng)端處于L端，電位器阻值為40kΩ，并使用兩個(gè)10kΩ偏置電阻，則檢測(cè)到的輸出電壓為：



直流情況下輸出僅比滿量程(dBFS)信號(hào)降低-19dB，說明即使電位器設(shè)置為靜音，仍然存在輸出信號(hào)。

加入C₂后將對(duì)電路產(chǎn)生哪些影響? 我們先了解一下使用0.01μF電容的情況。按照公式1得到圖5所示結(jié)果。


圖5. 使用0.01μF電容時(shí)的無源偏置網(wǎng)絡(luò)

增加C₂后對(duì)于1kHz以下的信號(hào)幾乎沒有影響，20kHz頻率處僅將電阻降低至785Ω，可以得到-34dB的靜音衰減，如圖5所示。可將電容增大至10μF (或更大)以改進(jìn)電路，此時(shí)，100Hz下可以得到-48dB的靜音衰減，參見圖6。這與最終要求的音量控制性能相差甚遠(yuǎn)，甚至不能將靜音條件下的音頻指標(biāo)控制在合理的范圍內(nèi)。


圖6. 使用10μF電容時(shí)的無源偏置網(wǎng)絡(luò)

其它問題

雖然我們分析的是靜音條件(滑動(dòng)端位于L處)下的電路情況，顯而易見的是：有限的V_BIAS阻抗會(huì)影響所有電位器設(shè)置，其影響表現(xiàn)在接近低端時(shí)越來越不準(zhǔn)確的衰減曲線。

如何解決該問題?

那么，如何降低阻抗，使靜音指標(biāo)達(dá)到90dB甚至更好? 為了達(dá)到90dB，我們必須將阻抗控制在個(gè)位數(shù)歐姆值范圍內(nèi)。

減小R₁和R₂帶來的問題是直流電流增大，實(shí)際應(yīng)用無法接受這一結(jié)果。顯然，我們需要通過選擇C₂在頻率達(dá)到音頻頻帶之前獲得非常低的阻抗。選擇電容時(shí)，很容易發(fā)現(xiàn)無法找到滿足100Hz下95dB衰減要求的電容。對(duì)于10kΩ、10kΩ電阻和100μF大電容，對(duì)應(yīng)的衰減曲線如圖7所示。在本文后續(xù)內(nèi)容的討論中，你將會(huì)發(fā)現(xiàn)切實(shí)可行的解決方案是采用有源偏置電路。


圖7. 使用100μF電容時(shí)的無源偏置網(wǎng)絡(luò)

立體聲電路

在討論有源偏置電路之前，我們首先了解一下立體聲設(shè)計(jì)的問題。對(duì)于立體聲信號(hào)，左、右聲道共用一個(gè)無源偏置發(fā)生器，這將產(chǎn)生靜音或饋通問題，另外一個(gè)問題是串?dāng)_。串?dāng)_指信號(hào)從左(L)聲道泄漏到右(R)聲道，反之亦然。以下說明了發(fā)生串?dāng)_的原因。當(dāng)在L聲道和R聲道之間共用偏置電路時(shí)，電路如圖8所示。


圖8. 無源偏置網(wǎng)絡(luò)和立體聲信號(hào)

當(dāng)H端上接輸入信號(hào)時(shí)，有限的偏置阻抗會(huì)在數(shù)字電位器的L端產(chǎn)生信號(hào)電壓。而此時(shí)左、右聲道共用同一偏置電路；因此，我們將在兩個(gè)V_OUT引腳得到對(duì)應(yīng)于左聲道或者右聲道V_IN的信號(hào)。輸入通道的信號(hào)具有很差的靜音衰減或無法滿足衰減特性的影響。一個(gè)通道的信號(hào)將作為串?dāng)_或立體聲隔離損耗出現(xiàn)在另一通道。

有源偏置

能夠有效解決上述問題的方案是：提供一個(gè)非常穩(wěn)定或具有低阻的V_BIAS偏置源，典型電路如圖9所示。分壓后的V_DD通過運(yùn)算放大器緩沖，該運(yùn)放的閉環(huán)輸出阻抗為零點(diǎn)幾個(gè)歐姆。利用該電路謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，可以達(dá)到90dB的靜音抑制指標(biāo)。


圖9. 運(yùn)算放大器緩沖偏置電壓分壓器

測(cè)量結(jié)果

用測(cè)試板比較有源偏置和無源偏置電路的工作情況，圖10和圖11給出了基于MAX5457測(cè)試板的無源電路和有源電路的典型工作特性。無源電路由兩個(gè)1kΩ電阻和4.7μF旁路電容組成，結(jié)果是在68Hz (計(jì)算值)產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，并且在5V電源下的連續(xù)吸收電流為2.5mA。


圖10. 數(shù)字電位器無源偏置下的滿量程和靜音響應(yīng)


圖11. 數(shù)字電位器有源偏置下的滿量程和靜音響應(yīng)

利用同相緩沖器，有源電路可以提供很高的電阻。這種情況下，偏置網(wǎng)絡(luò)可以使用兩個(gè)100kΩ電阻，不會(huì)影響有源偏置特性曲線，連續(xù)消耗電流只有25μA。

更好的解決方案—集成!

如上所述，無源電路的性能很差，既增加了成本，也增大了尺寸。帶緩沖的電阻分壓有源電路則具有較好的工作性能，當(dāng)然，該方案增加了運(yùn)算放大器的開銷。那么，是否能夠獲得小尺寸并具有高性能的解決方案? 答案是肯定的，如圖12所示的音量控制IC MAX5486，在單一芯片上集成了上述功能和數(shù)字電位器。


圖12. MAX5486音量控制IC包含音頻應(yīng)用所需的V_BIAS和滑動(dòng)端緩沖器

Maxim音量控制IC系列產(chǎn)品能夠直接連接微處理器、按鍵、旋轉(zhuǎn)編碼器、甚至紅外遙控器。其附加功能，如：過零同步滑動(dòng)端控制，使得該系列IC非常適合音頻應(yīng)用。