“POP”噪聲是指音訊器件在上電、斷電瞬間以及上電穩定後，各種操作帶來的瞬態衝擊所產生的爆破聲。本文將討論幾種常用的解決方法及其工作原理，這些方法針對具體的積體電路具有各自特點，應用時需要根據實際情況綜合考慮。

圖1：單端模式與橋式模式輸出電路示意圖。

本文提到的音訊系統是指音訊半導體器件，包括音訊數模轉換器、模數轉換器、音訊放大器等的應用系統。產生“POP”噪聲的瞬態衝擊通常是一種很窄的尖脈衝，用傅立葉分析展開後，其頻譜分量很豐富，且在頻域內的能量分佈相對平均。本文下面討論的幾種“POP”噪聲解決方法的目的，就是要降低20Hz~20kHz範圍內的諧波分量。對絕大多數人而言，如果訊號的峰峰值電壓小於10mV，就已經聽不見了。

橋式(BTL)輸出與單端(SE)輸出

圖2：橋式模式與單端模式輸出的“POP”噪聲。

橋式結構輸出相對單端模式輸出而言有很多優點，比如橋式模式可在相同的電源電壓Vdd條件下，輸出較高的電壓V_OBTL＝2*V_OSE，在相同的負載條件下輸出更大的功率。圖1為這兩種輸出電路的示意圖。

需要指出的是，橋式模式能有效抑制共模噪聲。輸出功率相同時，橋式模式的噪聲明顯小於單端模式的噪聲(如圖2所示，藍色通道接負載兩端，綠色通道接電源Vdd)。這是因為相同的衝擊會同時出現在橋式輸出結構的“＋”、“－”兩端，並通過負載後相互抵消，不對揚聲器做功，因而不會發出“POP”聲。這種結構對於上電、掉電噪聲以及操作噪聲都有很好的抑制作用。

圖3：橋式結構的兩種電路形式。

常見的橋式結構有兩種，它們對抑制“POP”聲的能力有細微差別。圖3左邊的電路是兩個放大單元並聯連線，同一個輸入訊號分別進入兩個放大單元AMP1、AMP2的“＋”、“－”輸入端，而且使它們的放大倍數保持相同、相位保持相反(相差180度)。在這裡，AMP1單元網路的增益GAIN_UP＝-R9/R8＝-2，AMP2單元網路的增益GAIN_DOWN＝1＋R11/R12＝2。單個電阻的精度誤差通常為±30%，但在同一個晶片內，這種偏差朝同一個方向，如果設計恰當，電阻比值的精度可以保證在±1%以內。AMP1、AMP2的DC引數也同樣朝同一個方向偏差，所以在“＋”、“－”輸出端可以很好地抵消共模訊號。

圖4：OCL輸出結構。

圖3右邊的電路則採用級聯形式，前一級的輸出訊號進入下一級的“－”輸入端，AMP4單元網路的增益GAIN_BACK＝-R14/R13＝-1。事實上，AMP3的輸出經過AMP4反向後會有一定的延時，在“＋”、“－”輸出端並不能完全抵消。AMP3的失調電壓等???誤差訊號會在AMP4中複製，並與AMP4的失調電壓一起送到“＋”端，而無法與“－”端完全抵消。因此這種結構抑制“POP”聲的效果略差一些，通常用在小功率器件中。

除此之外，還有一種結構也能有效抑制共模噪聲，那就是無輸出耦合電容(OCL)結構(見圖4)。該結構與橋式結構非常類似，在輸出端將直流共模電壓抵消掉，只有交流訊號對負載作功。與橋式結構一樣，OCL結構由於省去了耦合電容，可給音訊系統帶來另外一個好處，即系統的頻率響應可以延伸到很低的範圍，後面將對此作詳細介紹。

增大V_BIAS的濾波電容

圖5：單端模式電路的“POP”噪聲與Vbias電壓的模擬波形。

音訊積體電路通常都有一個管腳叫做Vbias，或者Vref、Vmid、Vsvr、bypass等，它是內部直流基準電壓，若要內部電路能工作，這個偏置電壓必須建立起來。實際應用時，該管腳通常外接一個旁路電解電容到地，該電容起濾除噪聲的作用。對於使用正電壓的單電源系統來說，當系統工作穩定時，基準電壓值約等於Vdd/2。增大這個電容的容值能抑制“POP”噪聲。當晶片上電或從待機狀態切換到工作狀態時，直流偏置電壓開始建立，從0逐漸升高，並對Vbias濾波電容充電。經過一定時間後，電壓上升到Vdd/2，此時晶片就可以工作了，輸出的音訊訊號基於這個直流電壓上下襬動。同樣，當晶片掉電或進入待機狀態時，濾波電容放電，偏置電壓開始下降，從Vdd/2下降到0。實驗證明，晶片上電、掉電時的“POP”聲就是由偏置電壓的瞬間跳變引起的。

圖5是模擬結果，紅線代表Vbias電壓，藍線代表單端模式的負載端輸出(在耦合電容之後，如圖1的左邊電路，Co＝220uF，RL＝16Ω）。如果Vbias跳變得緩慢，“POP”衝擊就會減小(如圖6所示)，此時的衝擊脈衝變寬，幅度有所下降，“POP”聲也變小了。使Vbias的上升、下降過程變緩，就可增加基準電壓的跳變延時。假定濾波電容的充放電電流是個常數，可把這個過程簡化成一階RC模型，根據公式(1)，可計算出電壓從0上升到Vbias/2，或者從Vbias/2下降到0所需的時間。

t_dalay＝0.69*R*C (1)

圖6：Vbias跳變變緩後，“POP”噪聲的模擬波形。

因此，增大Vbias的濾波電容可以減緩直流基準電壓的上升、下降速度，起到減少“POP”噪聲的作用。圖7是增大電容後，基準電壓跳變變緩的效果，其中紅線代表電源電壓Vdd，藍線代表Vbias電壓(假設Vdd＝5.0V，Vbias＝2.5V)。

有些音訊晶片集成了一個固定的延時電路單元，上電後需要經過一段固定延時，Vbias才開始緩慢上升到穩定狀態，此時從低電壓到高電壓的上升延時時間為tpLH。當晶片掉電時，積體電路的實現方式使其很難再延時一段時間才開始下降，但是仍可以增大從高電壓到低電壓的下降延時時間tpHL，以達到更好的抑制效果，此時只需使放電時的等效電阻大於充電時的等效電阻即可。圖8顯示了MAX98?0 的Vbias變化時序。

圖7：耦合電容不同時的“POP”衝擊波形。

tpLH＝0.69*R_charge*C_BIAS (2)

tpHL＝0.69*R_discharge*C_BIAS (3)

需要注意的是，濾波電容過大會使晶片的建立時間變長，使人感覺聲音“久久”沒有輸出。另外，電容過大還會使音訊系統的重要指標——總諧波失真＋噪聲(THD＋N)變差。這裡不解釋詳細原因，取值時請參考相應的資料手冊並進行折衷選擇。

減小輸出端的耦合電容

對於單端的輸出結構，在單電源系統中通常需要接一個電容(如圖1所示)。這個電容的作用是：(1)隔斷直流基準電壓Vbias。如果沒有隔直，直流電壓會直接流過後面的揚聲器線圈，使紙盆平衡位置偏向一端，若Vbias過大還可能損壞線圈。(2)耦合交流音訊訊號。它與揚聲器負載構成了一階高通濾波器(HPF)，根據公式(4)，電容的大小與低頻處的截止頻率fc有關。

fc＝1/(2π*RL*Co) (4)

圖8：MAX98?0的Vbias變化時序。

電容Co越大，截止頻率fc則越低，這意味著更低的頻率也可耦合到負載上去(見圖9)。

減小Co的容值可使“POP”衝擊的幅度變小、脈衝寬度變窄。由於“POP”衝擊的頻譜能量大都在高頻，減小Co的容值同樣可以減少可聞噪聲。圖10顯示了電容Co分別為10uF、47uF、100uF、220uF時的“POP”衝擊情況。可以看出，當Co減小到一定值後，再減小該值，噪聲抑制效果提高得很少。但根據公式(4)，減少電容值可明顯提高截止頻率fc(如圖9所示)，因此設計工程師必須權衡，作出一個折衷選擇。

當然，有的晶片具有低音增強特性，可在外部反饋迴路中通過增加一個零點的方法，來使低頻部分的增益大於通帶內的增益。比如對於LM4838器件來說，調整電容Cbs的大小就可以調整增益拐點在頻率上的位置(見圖11)。

用恰當的操作來抑制“POP”噪聲

圖9：不同耦合電容下的頻率響應特性(RL＝16Ω)。

在音訊功率放大器晶片上常常有MUTE、STB(Standby)管腳。當MUTE訊號有效時，晶片內部將輸入端短接到地，其它電路保持正常工作；而當STB訊號有效時，則關斷音訊電路靜態時最耗電的Vbias偏置電路。對採用CMOS工藝的音訊電路而言，關斷Vbias偏置電路後的靜態電流主要是MOS管的亞閾值電流，即MOS管的漏電流(微安級)，管子的閾值電壓越小，此電流值越大。由以上討論可知，若單獨使用STB，由於Vbias的瞬變，難免會引起“POP”噪聲。如果將這兩個管腳按一定順序正確使用，則可有效地抑制開關機噪聲(見圖12)。晶片上電時，先使MUTE、STB有效，待電源穩定後，先釋放STB，再釋放MUTE。掉電操作時，在準備掉電之前先使MUTE有效，然後再使STB有效，直到Vdd變為0。這是因為通常由MUTE操作引起的“POP” 噪聲要小於STB操作引起的“POP” 噪聲。

圖10：耦合電容不同時的“POP”衝擊波形。

圖12容易使人產生這樣一個誤解：STB的操作全被MUTE的作用所覆蓋，是否不需要STB也可以抑制噪聲呢？答案是肯定的，無論STB是什麼狀態，若只使用MUTE且按照圖12的順序執行，的確可以抑制“POP”聲。但需要注意的是，晶片在上電過程中(從0到Vdd)，電源只需要達到某個小於Vdd的電壓值，Vbias就會從0跳變到Vdd/2。此時電源還未穩定，Vdd會通過輸出驅動管對負載產生一個無法預測的隨機衝擊噪聲。如果此時Vbias還未建立(仍為0V)，則該隨機衝擊噪聲的影響很小，至少採用圖12的操作可以抑制電源瞬變衝擊引起的“POP”噪聲。等電源穩定後，Vbias帶來的衝擊也只是由從0到Vdd/2(而不是從0到Vdd)的電源跳變引起的。但實際的情況比較複雜，有些晶片的輸入端的直流基準與輸出端的直流基準是兩個獨立的電壓，當STB有效時，輸出端的Vbias並不跳變；還有些晶片在MUTE有效時是將輸出端短接到地。即使MUTE為有效狀態，也只是將輸入端接地，輸出端的Vbias衝擊仍然會通過耦合電容Co傳遞到負載。無論情況怎樣，從抑制噪聲的角度考慮，設計工程師總是希望輸出端的Vbias變化緩慢，最好是保持不變且始終為0V。

使用外部的靜音(MUTE)電路

圖11：LM4838 低音增強特性，(a)典型的應用原理圖；(b)不同Cbs值的頻率響應。

從以上討論可知，晶片上電、掉電時出現的“POP”噪聲是比較難解決的。事實上也的確如此，沒有Vdd可能意味著整個系統同時失去電源，MCU不能工作，I/O狀態失去控制，也無法完成圖12所示的操作。但是，仍有一些方法可以解決這個難題，例如使用外部的靜音電路，此時上面提到的“減小‘POP’聲，就是要避免直流瞬變”的思路仍然可用。因此這個靜音電路應該具有如下功能：(1)上電時，在Vdd開始上升之前，輸出一個穩定的有效訊號(假設為高電平)來驅動MUTE和STB管腳；(2)掉電時，在Vdd開始下降之前，輸出一個穩定的有效訊號(假設為高電平)來驅動MUTE和STB管腳。

圖13所示的電路基本可以滿足以上兩個要求。當+12V上電時，電荷通過D1到達Q1的e極，也通過R1、R2到達Q1的b極。由於電荷需要對C2充電，所以Q1的b極在上電剛開始的一段時間t_rise內比e極低一個閾值電壓，此時Q1導通，在c極輸出一段時間的高電平訊號MUTE_OUT1。圖14為外部靜音電路的模擬結果。

圖12：上電、掉電時MUTE與STB的正確時序。

當+12V突然掉電時，C2通過D2迅速放電，此時D2正向導通，將R1短路並形成放電迴路。因為C2容值小，儲存電荷少，所以放電時間常數t_tail<t_{rise。C1儲存的電荷不能通過D1釋放，所以Q1的e、b極又出現了壓差，使Q1導通並再次輸出高電平。一旦電源穩定後，Q1的b極電壓略高於e極，則Q1截止，MUTE_OUT1處於高阻狀態。}

實際的應用系統一般會有多組電源同時存在，由於電壓不同、負載的輕重不同以及所並聯的去耦電容不同，每組電源的上升、下降時間會有差異。這種現實的差異正是圖13電路的工作前提：將上電、掉電時間短的電源放到+12V處，將上升相對較慢的電源作為音訊Vdd。這一點需要特別強調。

下面介紹圖13電路的引數優化方法。圖15顯示了外部靜音電路中A、B、C三點的電壓變化情況。在上電、掉電迴路有一個公用的器件C2，C2的取值要合適，目的是實現t_tail<t_{rise。可以通過加大充電迴路中的電阻R1並減小放電迴路中二極體D2的正向電阻，來加大這兩個時間的大小差別。二極體是半導體器件，其正向電阻是非線性的，阻值與流過的正向電流有關。}

圖13：外部的靜音電路。

R_FOR＝Φ_r/(I_FOR＋I_S) (5)

其中，Φ_r＝kT/q＝[email protected]＝300K，它是一個與溫度有關的電壓常數；I_S為飽和電流，是一個與結面積有關的常數。從公式(5)可看出，正向電阻隨正向電流的增大而減小。這裡使用系統中較高的電壓+12V作為靜音電路的電源，是為了增加二極體D1的放電電流。在C2充電的過程中，有兩個電流對其充電，其中一個電流來自+12V並經過R1，其上升時間(從10%到90%）為：

t_rise＝2.2*R_charge*C (6)

將R1、C2帶入公式(6)計算出上升時間為10.34秒。但實際上的上升時間並沒有這麼長，其原因是還有另一個來自Q1的b極的充電電流。Q1導通時，B點的電壓等於A點電壓減去發射結壓降，大約為10.6V，集電結也正偏，管子處於飽和狀態，因此Q1的b極流出的電流通過R2對C2充電，加速了C點電壓的上升。

圖14：外部靜音電路的模擬波形。

+12V電壓穩定後，Q1的e、b電壓差減小，管子逐漸截止，MUTE_OUT1輸出為高阻狀態，集電極開路。當系統突然掉電時，C點電壓突然下降到0.7V(D2的壓降)，e、b端又出現了壓差，導致Q1導通，c極輸出有用的高電平訊號。這時C1中儲存的電荷只能通過Q1、R2、D2釋放，為了延長這個放電過程，可以適當增加R2的阻值，但阻值過大會使b極電流減小，使管子的驅動能力變差。

在系統正常工作時，MUTE訊號的開關可以使用MCU I/O埠作為普通的邏輯訊號。為增強驅動能力，該埠的訊號常常經過PNP電晶體反相後輸出MUTE_OUT2(見圖16)，這樣當MUTE0為低時，反相後的高電平MUTE_OUT2來自兩個電阻的分壓，即R5與Q2的e、c極飽和電阻Rbe，由於Rbe<<r5，所以這是強“1”訊號，具有很大的輸出電流能力。這樣設計的目的，在下面會有說明。

圖15：靜音電路中A，B，C各點的電壓變化。

另外，來自MCU的MUTE0為低電平有效，在MCU上電、掉電的過程中，I/O的電平是未知的。如果用工具進行模擬，該埠在復位完成之前是一個不確定狀態(邏輯值為“X”)。事實上，在實際的電路里並沒有“X”值，而只有“1”和“0”。幸運的是，在筆者使用過的一些51系列MCU中，在這一段所謂的‘失控’時間裡，I/O埠始終輸出一個穩定的“L”電平。

MUTE_OUT2與上述的MUTE_OUT1形成“或”的邏輯關係，共同作用於MUTE管腳。對於輸出功率不大的音訊放大器，還常常用一個NPN電晶體在輸出端與地之間形成一個開關，當估計可能出現“POP”噪聲時，將此開關閉合，而當需要輸出時，將此開關斷開(如圖17所示)。

圖17：兩個MUTE形成“與”的邏輯關係。

圖16：使用MCU I/O埠作為第二個MUTE訊號。

這裡只強調一點：要減小Q3閉合時的c、e間的電阻，就要從b極輸入更多的電流，使其飽和深度加大，而且還要選擇合適的R7阻值。由於Q3的c極是接在耦合電容之後，左右通道輸出(OUT_L/OUT_R)可以為負值，所以為在正常工作時保證Q3可靠地截止，R6的另一端可以考慮接到更低的負電平上，同時使用較大的阻值以免影響Q3的飽和效果。如果輸出功率很大，可考慮用物理隔離的繼電器代替Q3。

雖然以上提到了5種解決“POP”噪聲的方法，但它們並不是孤立的。對於實際應用中碰到的問題，要找到產生”POP”聲的主要原因，另外還要綜合考慮，選擇最有針對性的、最經濟的解決方法。

作者：王玉

圖17：兩個MUTE形成“與”的邏輯關係。

系統工程師

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