利用有源偏置提高立體聲性能

摘要：本應用筆記討論了消費類音頻產品中有源偏置和無源偏置電路的折衷選擇，并對這些電路在數字電位器和音量控制中的使用進行了對比，給出了隔離、靜音等參數。文中所提供的公式有助于設計人員評估特定情況下的折衷設計。

消費類產品設計人員需要時時處處考慮降低成本。使用數字電位器和音量控制IC代替機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，在使用這些新IC時仍需仔細考慮電路細節。多數情況下，這意味著要在性能參數和成本之間進行折衷。

本應用筆記中，我們將比較用于數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。本文還為設計人員提供評估消費類產品設計的公式，以便正確折衷設計。

音量控制和數字電位器

以下電路介紹了本文使用的一些術語。我們將側重于單電源供電情況，因為電池或墻上適配器供電產品使用非常普遍。在單電源供電應用中，所有電路均由V_DD供電，信號擺幅介于V_DD和地電位之間。出于成本和性能考慮，級間可能使用電容，也可能去掉電容。

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


圖1. 信號源驅動的音量控制

數字電位器(紅框部分)可以看成由邏輯電路控制的開關陣列和電阻，仿真機械電位器的滑動接觸端。 音量控制IC (藍框部分)有別于數字電位器，它還包括獲得最佳音質所需的兩個關鍵電路：滑動端緩沖器(運算放大器)和偏置電路(V_BIAS電壓源)。

無源偏置電路

如果使用數字電位器，并需要嚴格控制成本，可以利用無源電阻分壓器產生偏置電壓，如圖2所示。電阻值一般等于將V_BIAS設定在V_DD和地電位的中點的數值。為降低V_BIAS交流阻抗、消除噪音，大多數計人員會增加一個旁路電容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音頻性能的影響。根據圖3計算偏置電路的源阻抗(有時稱作電源的“穩定性”)。


圖3. 穩定性與偏置網絡的等效阻抗有關



首先考察直流情況(s = 0)，上式簡化為電阻R₁和R₂的并聯值，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絡調節音量

偏置網絡的有限源阻抗允許將信號作用在數字電位器的L端。將滑動端調節到L端時對應于器件的靜音狀態。與所要求的無信號輸入不同，在此可以檢測到電壓源V_IN分壓后的信號。

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



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

加入C₂后將對電路產生哪些影響? 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所示結果。


圖5. 使用0.01μF電容時的無源偏置網絡

增加C₂后對于1kHz以下的信號幾乎沒有影響，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)以改進電路，此時，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，甚至不能將靜音條件下的音頻指標控制在合理的范圍內。


圖6. 使用10μF電容時的無源偏置網絡

其它問題

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

如何解決該問題?

那么，如何降低阻抗，使靜音指標達到90dB甚至更好? 為了達到90dB，我們必須將阻抗控制在個位數歐姆值范圍內。

減小R₁和R₂帶來的問題是直流電流增大，實際應用無法接受這一結果。顯然，我們需要通過選擇C₂在頻率達到音頻頻帶之前獲得非常低的阻抗。選擇電容時，很容易發現無法找到滿足100Hz下95dB衰減要求的電容。對于10kΩ、10kΩ電阻和100μF大電容，對應的衰減曲線如圖7所示。在本文后續內容的討論中，你將會發現切實可行的解決方案是采用有源偏置電路。


圖7. 使用100μF電容時的無源偏置網絡

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計的問題。對于立體聲信號，左、右聲道共用一個無源偏置發生器，這將產生靜音或饋通問題，另外一個問題是串擾。串擾指信號從左(L)聲道泄漏到右(R)聲道，反之亦然。以下說明了發生串擾的原因。當在L聲道和R聲道之間共用偏置電路時，電路如圖8所示。


圖8. 無源偏置網絡和立體聲信號

當H端上接輸入信號時，有限的偏置阻抗會在數字電位器的L端產生信號電壓。而此時左、右聲道共用同一偏置電路；因此，我們將在兩個V_OUT引腳得到對應于左聲道或者右聲道V_IN的信號。輸入通道的信號具有很差的靜音衰減或無法滿足衰減特性的影響。一個通道的信號將作為串擾或立體聲隔離損耗出現在另一通道。

有源偏置

能夠有效解決上述問題的方案是：提供一個非常穩定或具有低阻的V_BIAS偏置源，典型電路如圖9所示。分壓后的V_DD通過運算放大器緩沖，該運放的閉環輸出阻抗為零點幾個歐姆。利用該電路謹慎設計，可以達到90dB的靜音抑制指標。


圖9. 運算放大器緩沖偏置電壓分壓器

測量結果

用測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1kΩ電阻和4.7μF旁路電容組成，結果是在68Hz (計算值)產生一個極點，并且在5V電源下的連續吸收電流為2.5mA。


圖10. 數字電位器無源偏置下的滿量程和靜音響應


圖11. 數字電位器有源偏置下的滿量程和靜音響應

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，偏置網絡可以使用兩個100kΩ電阻，不會影響有源偏置特性曲線，連續消耗電流只有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，當然，該方案增加了運算放大器的開銷。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字電位器。


圖12. MAX5486音量控制IC包含音頻應用所需的V_BIAS和滑動端緩沖器

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