音频系统POP音的原理和解决方法

音频系统POP音的原理和解决方法

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音频IC与功放IC的电源时序与功能模块使能时序

这里强调了电源时序和使能时序，电源时序是指系统中各种芯片电源供电或者断电的时序，而使能时序是系统供电稳定后由各个控制信号控制的功能模块的使能或关闭顺序。
对于电源时序，由于多数音频IC的输出在上电和断电中不稳定，当然功放IC或者其他IC也有可能出现不稳定的情况，因此理想的电源上电的时序是：

音频IC先上电，然后功放上电

相反，电源断电的理想时序是：

功放先断电，然后音频IC断电

• 上电 但是通常来说功放的供电电压会高于音频IC，这就导致音频IC会先于音频IC上电，此时就要保证功放IC的SD/SHDN/EN/STB必须处于拉低状态，避免音频IC上电过程中误产生的POP音，等待主芯片模拟输出的偏置电压稳定后再使能SD。同样，掉电时也需要先将功放IC的SD拉低，避免音频IC掉电时产生POP音的输出。不难看出，上电时可以通过SD的下拉电阻使功放处于standby状态；

• 掉电 在掉电时可分为两种情况，若由软件控制关机进程，可以用IO来控制SD在掉电过程中优先拉低。若是硬件意外断电，控制SD的IO口和功放IC的供电电源之间的掉电时序没办法确定，因此就需要掉电检测电路来将SD迅速拉低。详细的电路会在后面说明。

• MUTE 部分功放IC设置了MUTE和STB引脚。MUTE有效时，作用机制是在芯片内部将输入端短路到地，其他电路保持正常工作，而STB起作用时，将Vbias偏置电路关断。后文会说明，Vbias的瞬变会引起POP音，因此可以利用MUTE的作用时序有效地抑制开关机的噪音。在功放IC上电时，保持MUTE和SD有效（拉低），上电完成稳定后，先释放STB，再释放MUTE。当掉电操作时，在准备掉电之前，先使MUTE有效，之后再使STB有效，直到VCC为0。这样做的原因是MUTE操作所引起的"POP"音要小于STB操作引起的。另一个原因是无论MUTE是否作用，STB开关所带来的Vbias脉冲一定会对功放的输出造成干扰，因此在STB作用之前关闭音频输入可能带来的噪音非常有必要。

功放IC输入端INP与INN的阻抗匹配

一般电子设备运用的功放都是模拟输入Class D功放，这类功放的模拟输入必须工作在直流偏置（Vbias）上才可以正常传输交流音频信号，简化的输入级模型如下图：

功放上电后，在SD拉高使能功放时，偏置电压会从0V开始上升到额定的偏置电压，该过程的时间长短取决于内部偏置电源对外部阻抗网络的充电速度。

功放差分输入INN和INP的输入偏置电压建立的过程如上图，若输入差分P和N端的输入偏置电压建立速度不一样则两者时间会形成差分信号输入功放并被放大输出，形成POP音。这种偏置电压的误差是由N和P外部的阻抗不匹配造成的。在差分输入用作单端输入时更容易出现这个情况。以下是差分输入和单端输入的比较：

类型	半波整流	全波整流
抗噪声干扰能力	有较强的共模噪声抑制	无抑制功能，需要注意音频信号的走线和地平面的分布
启动/关闭POP声性能	保证了输入端线路的POP	需要注意网络和控制电路，P/N脚外部的电路网络要做到阻抗匹配，尽量不要在输入端使用复杂的滤波网络，如果需要，优先选择运放来进行滤波和增益的调节。（运放跟随器高输入阻抗，低输出阻抗的特性非常适合做隔离，滤波和增益）
DC detect误触发	一般不会误触发	需要注意网络的设计
功率	–	要达到与差分输入相同的音频输出功率，单端信号的输入电平要达到差分的两倍

不过，在实际应用中，由于多数主芯片的音频模拟输出是单端模式，因此必须配置成单端输入。如下图，空出来的差分信号通过电容耦合到地。

P和N脚外部的阻抗Zn和Zp的大小一般以功放IC的提供的规格为基础进行调整，调整的依据是频响曲线，失真度和信噪比等参数。有些情况下调整外部阻抗的大小可以起到抑制POP噪音的作用。例如：功放的启动时间是30ms，指的是SD拉高到功放开始有输出之间的延迟时间。若上述启动时对输入阻抗网络的充电稳定时间少于30ms，则阻抗不匹配引起的差分输入被放大后的信号也不会造成噪声。因此，适当减小上图中的输入电容（减小阻抗）就可以减小输入级的稳定时间，从而避免POP的产生。

实际上，即使输入级的稳定时间已经足够短，减小输入电容仍可以起到抑制POP的作用，这是因为减小输入电容会使输入信号的低频率增益减小，因此整体的增益水平都会降低，包括POP噪音，尤其是噪音在低频具有丰富频谱时效果更明显。

阻抗匹配的验证方法：出现POP声后，首先在软件上做测试，禁止音频IC输出信号，此时控制SD脚电平模拟功放的开关过程，若POP消失，则说明P/N阻抗匹配以及功放部分电路没有问题；若POP依然存在，则进行以下步骤。

将音频IC的输出断开，并将功放的输入电路部分通过相同的电容接地，尽量保证P/N外部阻抗相同并且没有输入信号干扰。此时控制SD脚电平模拟开关过程，若POP声依然存在，则说明是其他原因造成POP声的；若POP消失，则说明原电路P/N阻抗不匹配；若POP变小，则说明原电路P/N阻抗不匹配只是一个原因，还有别的因素会产生POP声。

增大VBIAS滤波电容

对于音频集成电路，通常有一个pin，叫做Vbias，Vref，Vmid，Vsvr，bypass或micbias等。它是内部直流基准电压，也就是想要内部电路工作，这个偏置电压必须建立起来。在应用时通常外接一只旁路电解电容对地，起到滤除噪声的作用。对于使用正的单电源系统在稳定工作时，它的电压值约等于1/2Vcc.增大这个电容的电容值，能抑制POP噪声。当芯片上电或EN使能后，直流偏置电压开始建立，从0V逐渐升高，对Vbias滤波电容充电，经过一定的时间后，电压上升到1/2Vcc，芯片可以工作，输出的音频信号就是基于这个直流电压上下摆动。同样当关电或者EN不使能时，滤波电容放电，偏置电压开始下降。实验证明，偏置电压的瞬变过程会产生POP声。如下图，增大滤波电容就可以降低瞬变时的脉冲幅度，增宽脉冲，减少POP声。（红线是Vbias电源，蓝线是耦合输出）



有些Audio芯片集成了一个固定的延时电路单元，上电后，需要经过一段固定延时之后，Vbias才开始缓慢上升，直到稳定；当芯片掉电时，很难再延时一段时间才开始下降，但是仍然可以令其缓慢下降。只要放电等效电阻大于上电的等效电阻即可。

需要注意的是，此滤波电容过大，会使芯片的建立时间拉长，给人感觉声音迟迟没有输出的感觉。另外电容过大还会使音频系统的THD+N（谐波失真+噪声）变差，需要注意。

BTL输出和SE输出

与音频IC输出到功放类似，在功放输出到SPEAKER或音频IC直接输出到SPEAKER也存在单端和差分的区别，分别为SE Mode和BTL Mode，如下图：

这一点同上问讲述到的单端和差分信号的区别基本类似。以下是对比相同情况下，SE和BTL输出波形的区别，可以明显看出BTL对共模噪声和POP的抑制能力要明显强与SE Mode。

在实际应用中，绝大部分输出信号都是使用的BTL Mode，下面介绍两种BTL结构的两种电路形式。

左图是两个放大单元连接并形成并联形式，同一个输入信号分别进入两个放大单元AMP1、AMP2的“+”“ –”输入端，但使他们的放大倍数保持相同，相位相反。AMP1的增益-R9/R8=-2，AMP2的增益1+R11/R12=2。

右图采用级联形式，AMP3反向，AMP4的增益为-R14/R13=-1。实际上AMP3的输出，经过AMP4 反向后，会有一定的延时，因此这种结构抑制POP声的效果略差一点，通常在小功率的器件中。

除此之外，还有另一种结构，OCL结构，与BTL结构非常类似，优点是系统的频率响应可以延伸到很低的范围。

减小输出端耦合电容

①隔断直流基准电压Vbias
②耦合交流的音频信号，它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器

因为噪声和POP声的频谱都在高频，因此可以适当减小电容来消减POP声，但要注意音频增益的损耗和整体的声音质量，需要一个平衡。

外部掉电与上电检测

当软件无法有效地控制功放IC的EN或者MUTE的使能、关闭时序时，就需要用到外部的上电掉电检测电路。

若EN或者MUTE是高电平关闭功放IC，低电平使能功放IC。那么检测电路的目标是在上电和掉电的瞬间让EN迅速变为高电平并且保持或者维持一段时间，等待音频IC和功放IC上电完毕后由IO去控制或者变为低电平。如下图所示电路。


有几个细节需要注意：

①检测电路电源的上电速度尽量比功放和音频IC电源的上电速度快。
②检测电路的电源可以选择大一点的，这样保证D2在导通时的电流更大，时C2在掉电时的放电速度更快。
③基极电阻R2不能太大，否则会影响Q1的驱动能力。

若EN或者MUTE是低电平关闭功放IC，高电平使能功放IC，那么逻辑正好和上面相反。可以在上述电路后增加一个三极管反向电路。

如果需要用到以上检测电路，建议将上述电路的输出与控制IO做成一定的逻辑，两个不同的电平逻辑分别对应以下电路：

最后讲一种特殊情况，如果在掉电的瞬间有已知的一个信号会瞬间变为低电平，例如有的设计会通过开关将某一信号接地从而进行关机。这是对于掉电的EN控制就会变得很简单，当然这仅限于EN低电平关闭功放的应用。如下图：