图11:LM4838 低音增强特性,(a)典型的应用原理图;(b)不同Cbs值的频率响应。 从以上讨论可知,芯片上电、掉电时出现的"POP"噪声是比较难解决的。事实上也的确如此,没有Vdd可能意味着整个系统同时失去电源,MCU不能工作,I/O状态失去控制,也无法完成图12所示的操作。但是,仍有一些方法可以解决这个难题,例如使用外部的静音电路,此时上面提到的"减小‘POP’声,就是要避免直流瞬变"的思路仍然可用。因此这个静音电路应该具有如下功能:(1)上电时,在Vdd开始上升之前,输出一个稳定的有效信号(假设为高电平)来驱动MUTE和STB管脚;(2)掉电时,在Vdd开始下降之前,输出一个稳定的有效信号(假设为高电平)来驱动MUTE和STB管脚。
图13所示的电路基本可以满足以上两个要求。当+12V上电时,电荷通过D1到达Q1的e极,也通过R1、R2到达Q1的b极。由于电荷需要对C2充电,所以Q1的b极在上电刚开始的一段时间trise内比e极低一个阈值电压,此时Q1导通,在c极输出一段时间的高电平信号MUTE_OUT1。图14为外部静音电路的仿真结果。
图12:上电、掉电时MUTE与STB的正确时序。 当+12V突然掉电时,C2通过D2迅速放电,此时D2正向导通,将R1短路并形成放电回路。因为C2容值小,储存电荷少,所以放电时间常数ttailrise。C1储存的电荷不能通过D1释放,所以Q1的e、b极又出现了压差,使Q1导通并再次输出高电平。一旦电源稳定后,Q1的b极电压略高于e极,则Q1截止,MUTE_OUT1处于高阻状态。
实际的应用系统一般会有多组电源同时存在,由于电压不同、负载的轻重不同以及所并联的去耦电容不同,每组电源的上升、下降时间会有差异。这种现实的差异正是图13电路的工作前提:将上电、掉电时间短的电源放到+12V处,将上升相对较慢的电源作为音频Vdd。这一点需要特别强调。
下面介绍图13电路的参数优化方法。图15显示了外部静音电路中A、B、C三点的电压变化情况。在上电、掉电回路有一个公用的器件C2,C2的取值要合适,目的是实现ttailrise。可以通过加大充电回路中的电阻R1并减小放电回路中二极管D2的正向电阻,来加大这两个时间的大小差别。二极管是半导体器件,其正向电阻是非线性的,阻值与流过的正向电流有关。
图13:外部的静音电路。 RFOR=Φr/(IFOR+IS) (5)
其中,Φr=kT/q=26mV@T=300K,它是一个与温度有关的电压常数;IS为饱和电流,是一个与结面积有关的常数。从公式(5)可看出,正向电阻随正向电流的增大而减小。这里使用系统中较高的电压+12V作为静音电路的电源,是为了增加二极管D1的放电电流。在C2充电的过程中,有两个电流对其充电,其中一个电流来自+12V并经过R1,其上升时间(从10%到90%)为:
trise=2.2*Rcharge*C (6)
将R1、C2带入公式(6)计算出上升时间为10.34秒。但实际上的上升时间并没有这么长,其原因是还有另一个来自Q1的b极的充电电流。Q1导通时,B点的电压等于A点电压减去发射结压降,大约为10.6V,集电结也正偏,管子处于饱和状态,因此Q1的b极流出的电流通过R2对C2充电,加速了C点电压的上升。
图14:外部静音电路的仿真波形 +12V电压稳定后,Q1的e、b电压差减小,管子逐渐截止,MUTE_OUT1输出为高阻状态,集电极开路。当系统突然掉电时,C点电压突然下降到0.7V(D2的压降),e、b端又出现了压差,导致Q1导通,c极输出有用的高电平信号。这时C1中储存的电荷只能通过Q1、R2、D2释放,为了延长这个放电过程,可以适当增加R2的阻值,但阻值过大会使b极电流减小,使管子的驱动能力变差。
在系统正常工作时,MUTE信号的开关可以使用MCU I/O端口作为普通的逻辑信号。为增强驱动能力,该端口的信号常常经过PNP晶体管反相后输出MUTE_OUT2(见图16),这样当MUTE0为低时,反相后的高电平MUTE_OUT2来自两个电阻的分压,即R5与Q2的e、c极饱和电阻Rbe,由于Rbe<
图15:静音电路中A,B,C各点的电压变化 另外,来自MCU的MUTE0为低电平有效,在MCU上电、掉电的过程中,I/O的电平是未知的。如果用工具进行仿真,该端口在复位完成之前是一个不确定状态(逻辑值为"X")。事实上,在实际的电路里并没有"X"值,而只有"1"和"0"。幸运的是,在笔者使用过的一些51系列MCU中,在这一段所谓的‘失控’时间里,I/O端口始终输出一个稳定的"L"电平。
MUTE_OUT2与上述的MUTE_OUT1形成"或"的逻辑关系,共同作用于MUTE管脚。对于输出功率不大的音频放大器,还常常用一个NPN晶体管在输出端与地之间形成一个开关,当估计可能出现"POP"噪声时,将此开关闭合,而当需要输出时,将此开关断开(如图17所示)。
图17:两个MUTE形成"与"的逻辑关系。
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