利用有源偏置提高立体声性能

利用有源偏置提高立体声性能

摘要：本应用笔记讨论了消费类音频产品中有源偏置和无源偏置电路的折衷选择，并对这些电路在数字电位器和音量控制中的使用进行了对比，给出了隔离、静音等参数。文中所提供的公式有助于设计人员评估特定情况下的折衷设计。

消费类产品设计人员需要时时处处考虑降低成本。使用数字电位器和音量控制IC代替机械电位器虽然提供了更广泛的用户接口，但为了保证最佳音质，在使用这些新IC时仍需仔细考虑电路细节。多数情况下，这意味着要在性能参数和成本之间进行折衷。

本应用笔记中，我们将比较用于数字电位器的有源偏置和无源偏置电路，并分析影响器件性能的可能因素。本文还为设计人员提供评估消费类产品设计的公式，以便正确折衷设计。

音量控制和数字电位器

以下电路介绍了本文使用的一些术语。我们将侧重于单电源供电情况，因为电池或墙上适配器供电产品使用非常普遍。在单电源供电应用中，所有电路均由V_DD供电，信号摆幅介于V_DD和地电位之间。出于成本和性能考虑，级间可能使用电容，也可能去掉电容。

滑动端缓冲器能够降低通过开关阵列的电流，改善失真性能。本文探讨了偏置电路对电路性能的影响。


图1. 信号源驱动的音量控制

数字电位器(红框部分)可以看成由逻辑电路控制的开关阵列和电阻，仿真机械电位器的滑动接触端。 音量控制IC (蓝框部分)有别于数字电位器，它还包括获得最佳音质所需的两个关键电路：滑动端缓冲器(运算放大器)和偏置电路(V_BIAS电压源)。

无源偏置电路

如果使用数字电位器，并需要严格控制成本，可以利用无源电阻分压器产生偏置电压，如图2所示。电阻值一般等于将V_BIAS设定在V_DD和地电位的中点的数值。为降低V_BIAS交流阻抗、消除噪音，大多数计人员会增加一个旁路电容C₂。


图2. 无源偏置电路

单声道音量控制电路

下面，我们考察一下电路元件的选择对音频性能的影响。根据图3计算偏置电路的源阻抗(有时称作电源的“稳定性”)。


图3. 稳定性与偏置网络的等效阻抗有关



首先考察直流情况(s = 0)，上式简化为电阻R₁和R₂的并联值，将该阻值带入音量控制电路(图4)。


图4. 采用有限阻抗偏置网络调节音量

偏置网络的有限源阻抗允许将信号作用在数字电位器的L端。将滑动端调节到L端时对应于器件的静音状态。与所要求的无信号输入不同，在此可以检测到电压源V_IN分压后的信号。

例如，滑动端处于L端，电位器阻值为40kΩ，并使用两个10kΩ偏置电阻，则检测到的输出电压为：



直流情况下输出仅比满量程(dBFS)信号降低-19dB，说明即使电位器设置为静音，仍然存在输出信号。

加入C₂后将对电路产生哪些影响? 我们先了解一下使用0.01μF电容的情况。按照公式1得到图5所示结果。


图5. 使用0.01μF电容时的无源偏置网络

增加C₂后对于1kHz以下的信号几乎没有影响，20kHz频率处仅将电阻降低至785Ω，可以得到-34dB的静音衰减，如图5所示。可将电容增大至10μF (或更大)以改进电路，此时，100Hz下可以得到-48dB的静音衰减，参见图6。这与最终要求的音量控制性能相差甚远，甚至不能将静音条件下的音频指标控制在合理的范围内。


图6. 使用10μF电容时的无源偏置网络

其它问题

虽然我们分析的是静音条件(滑动端位于L处)下的电路情况，显而易见的是：有限的V_BIAS阻抗会影响所有电位器设置，其影响表现在接近低端时越来越不准确的衰减曲线。

如何解决该问题?

那么，如何降低阻抗，使静音指标达到90dB甚至更好? 为了达到90dB，我们必须将阻抗控制在个位数欧姆值范围内。

减小R₁和R₂带来的问题是直流电流增大，实际应用无法接受这一结果。显然，我们需要通过选择C₂在频率达到音频频带之前获得非常低的阻抗。选择电容时，很容易发现无法找到满足100Hz下95dB衰减要求的电容。对于10kΩ、10kΩ电阻和100μF大电容，对应的衰减曲线如图7所示。在本文后续内容的讨论中，你将会发现切实可行的解决方案是采用有源偏置电路。


图7. 使用100μF电容时的无源偏置网络

立体声电路

在讨论有源偏置电路之前，我们首先了解一下立体声设计的问题。对于立体声信号，左、右声道共用一个无源偏置发生器，这将产生静音或馈通问题，另外一个问题是串扰。串扰指信号从左(L)声道泄漏到右(R)声道，反之亦然。以下说明了发生串扰的原因。当在L声道和R声道之间共用偏置电路时，电路如图8所示。


图8. 无源偏置网络和立体声信号

当H端上接输入信号时，有限的偏置阻抗会在数字电位器的L端产生信号电压。而此时左、右声道共用同一偏置电路；因此，我们将在两个V_OUT引脚得到对应于左声道或者右声道V_IN的信号。输入通道的信号具有很差的静音衰减或无法满足衰减特性的影响。一个通道的信号将作为串扰或立体声隔离损耗出现在另一通道。

有源偏置

能够有效解决上述问题的方案是：提供一个非常稳定或具有低阻的V_BIAS偏置源，典型电路如图9所示。分压后的V_DD通过运算放大器缓冲，该运放的闭环输出阻抗为零点几个欧姆。利用该电路谨慎设计，可以达到90dB的静音抑制指标。


图9. 运算放大器缓冲偏置电压分压器

测量结果

用测试板比较有源偏置和无源偏置电路的工作情况，图10和图11给出了基于MAX5457测试板的无源电路和有源电路的典型工作特性。无源电路由两个1kΩ电阻和4.7μF旁路电容组成，结果是在68Hz (计算值)产生一个极点，并且在5V电源下的连续吸收电流为2.5mA。


图10. 数字电位器无源偏置下的满量程和静音响应


图11. 数字电位器有源偏置下的满量程和静音响应

利用同相缓冲器，有源电路可以提供很高的电阻。这种情况下，偏置网络可以使用两个100kΩ电阻，不会影响有源偏置特性曲线，连续消耗电流只有25μA。

更好的解决方案—集成!

如上所述，无源电路的性能很差，既增加了成本，也增大了尺寸。带缓冲的电阻分压有源电路则具有较好的工作性能，当然，该方案增加了运算放大器的开销。那么，是否能够获得小尺寸并具有高性能的解决方案? 答案是肯定的，如图12所示的音量控制IC MAX5486，在单一芯片上集成了上述功能和数字电位器。


图12. MAX5486音量控制IC包含音频应用所需的V_BIAS和滑动端缓冲器

Maxim音量控制IC系列产品能够直接连接微处理器、按键、旋转编码器、甚至红外遥控器。其附加功能，如：过零同步滑动端控制，使得该系列IC非常适合音频应用。