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完全杜绝开关/切换时噪音解决方案
 

【作者: 潘正平】2001年09月01日 星期六

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多媒体一直是现今许多不管是资讯产品,或消费性电器所追求的表现方式。但过去市场所重视的却仅只限于处理速度、绘图能力的展现,而较少着墨于音响的呈现。随着中央处理器、绘图能力的发展渐趋完备,各品牌产品间的关键差异性便落在音频的表现能力上;而过去在诸如笔记型电脑、个人数位助理器等各种可携式音响系统或桌上型电脑,设计工程师一直无法有效根除当这些机器设备在开机、关机或切换时所产生刺耳的「啪」声噪音;至今为止,顶多只是降低其声响而已。但新的解决方案以独特、且正在申请专利的线路技术,为工程师将这些不愉悦的噪音完全杜绝了。


这一声「啪」的噪音,主要是在开机时电源接通的瞬间,当时线路上的各种不同大小的电容正开始进行充电,此时便会产生此一噪音。例如,输入电源的值本来是「零」,电容量也是零,开机后便进行充电,而且充电过程不是立刻充完,它会经过一段时间后才充完,这端视输入的容量与电阻而定。而在这段时间内便通常会产生噪音,而噪音的长短、大小声,便与电容器的容量大小成正比相关。


传统设计缺失多

而现今许多包括笔记型电脑或个人数位助理器等这类系统,多半同时会在输入和输出端皆采用大容量电容,以追求更佳的音响输出效果,例如低重音;所以在同一系统中,便至少有两种噪音产生来源。而这种「啪」声噪音不仅发生在机器设备开机时、关机时,其实在某些设有睡眼模式的机器中,当它从睡眠模式切换回正常运作模式时,也会产生噪音。不过,在开/关机与切换之间的噪音产生情况仍有些许的不同,开机时电源进入系统中,电压初始值为零,但睡眠模式则还保有一定的电压。


传统设计工程师为了解决此一问题,其所采用的作法是在输入端添加旁路设计,并把其上的电容加大,借此让机器设备开机启动时间延长数秒,争取到把前一级噪音降低的时间。但这种办法并没有办法完全根绝噪音的产生,因为它只处理了前段电路所产生的噪音,但在输出端的电容器仍然存在。此外,采用这种设计方法的另一个弊端,是它的开/关机时间变长。这或许对采用视窗作业系统的笔记型电脑使用者而言,还可以忍受;但对许多讲求即时作业的可携式设备而言,这将会是一项无法接受的缺失。因此过去设计工程师必需在降低噪音量与启动时间间进行取舍。


从以上的说明可以了解,这种「啪」声的噪音与电容有很大的关连性。似乎要把这一噪音去除的先决条件,就是把电容自电路中省去。美国国家半导体最近就推出了一款这样的解决方案,它把输出端的耦合电容省去了。在开关机时,皆不会产生噪音;且不管有没有信号的情况下皆是如此。目前市面上有些其他的解决方案,也宣称不会产生噪音,但那是在没有讯号的情形下才得以实现,但这与实际的使用情形不符。


去除耦合电容

因为输出端的耦合电容容量值很大,所以如果没有妥善解决,「啪」声的噪音便会永远存在。因此LM4867便以特别的线路来取代这一端的电容,因此便少了一个噪音源。要免于产生噪音的一个重要观念,是不要让杂讯电流流过喇叭。所以该颗晶片便是要确保送出到喇叭,不会有杂讯;而输出端电容的省略,就是实现此一理念的第一步。


省下输出电容之后所带来的立即效应,是输入端所需的需容容量便可降低,不再需要如此高容量的电容来驱动系统的运作。在设计时,只要根据一般的电阻、电容需求即可满足系统运作的要求。此时输入电容值可望从平常的2.2μF或3.3μF降到0.33μF,试想当输出电容降到此一数值后,便表示它能产生的噪音已经很小了。另外,因为在许多情况下,噪音的产生是来自于前一级线路。所以,LM4867中还内建有特别的线路可用来检测输入的讯号,同时将这些会产生噪音的因素一并解决。


透过这些先进的设计,LM4867针对下列四种情形保证绝不会产生噪音,一是在开机时,不管有没有信号输入,都不会有噪音产生;其次是如果关机前睡眠模式启动情况下,此时关掉电源也不会产生噪音;第三是在从睡眠模式返回正常工作模式下,此时也是不管有没有输入信号,均不会产生噪音;最后是在进入睡眠模式后,则在不管有无输入信号的情形下,LM4867本身将不会产生噪音。之所以提出这一点,是因为前一级线路可能会产生信号。


而在噪音消除后,它与启动时间间的关系如何呢? (表一)说明了两者的关系。在采用LM4867时,若使用2.2μF电容,它的启动时间需求为630ms(毫秒),是使用者可以接受的值;相对于其他现今市面上的解决方案,在2.2μF电容情况下,所提供的启动时间,都超过1秒以上,甚至有的达到2秒;两相比较下,势将对使用者的容忍度带来挑战。另外,因为LM4867因已解决了噪音问题,故可采用较小值的电容。从表中可以得知,如果电容值降到0.22μF时,启动时间则可进一步缩减为63ms,而这并不会影响整个电路的设计。


外部元件数目更小

由于晶片内独特电路的设计,使得采用LM4867的设计,还可享受到另一项效益,即是使用更少的元件。以往典型的设计中所采用分别作为输出电容及滤波用的两个钽质电容,在LM4867的设计中便不再需要了;同时它的旁路设计上也省掉了一些电阻,因此元件数也少了许多,而它也可采用较小的电容。另外,设计中也不再需要减震器(Snubber)及自举(Bootstrap)等外部元件。


整体而言,系统中语音部份之设计,传统的设计需要16到18颗元件,但新的解决方案只需要约12或13个元件。采用元件数目的减少,意味着可进一步缩减电路板面积,降低高度(因钽质电容去除了),节省成本(1.5美元到2 美元)。这对同样对空间及价格皆很敏感的笔记型电脑、MP3播放器、个人数位助理器等产品而言,皆是很重要的设计考量。


另外值得一提的是它的封装。除了有采前一代的封装外,它还采用了一种先进的无引脚封装(LLP)。藉由这种封装,它不但可以让晶片的外型尺寸进一步缩减,再加上它的高度低,也可让系统设计师降低系统高度。因此除了让整个声频方面的设计,在系统中所占面积比例也就更加减小之外,它同时也让系统工程师在设计时有更佳的弹性。此外,这种封装还让它的输出功率还达6瓦之多。而这种新型态的封装,并不会为客户的生产带来额外的负担。厂商现有可以处理0.05mm间距元件的生产设备,也同样适用于LM4867。另外,LM4867与该公司先前的LM4873是脚对脚相容,也利于先前的客户轻易地升级。


结论

基本上,LM4867晶片是款双桥接声频功率放大器。若连接5伏供电后,可以向4Ω负载输出2.1W功率或向3Ω负载输出2.4W功率,总谐波失真及噪音不会超过1.0%。而它的噪音抑制技术,则可将首次通电时所产生的开关/切换噪音完全抑制。此外,这款放大器晶片还加设了一条耳机模式感应输入接脚,可将放大器由桥接模式转为单端模式,以便驱动耳机。采用LM4867的设计,还可因它使用更少的外部元件、更小巧的封装,而达到简化设计及大量节省电路板空间的目的,同时也让厂商省下可观的成本。


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