Предыдущая публикация
Щелчки в динамике при включении/выключении УНЧ
Щелчки и помехи на выходе, или их отсутствие, всегда имели важное значение в мире усилителей звука. Это особенно верно для УНЧ, работающих на головные телефоны (в таких приложениях, как мобильные телефоны и MP3-плееры).Щелчки на выходе усилителя обычно слышны, когда мы подаем на него питание, или наоборот, когда питание отключается (либо когда схема усилителя просыпается, или когда она переходит в режим ожидания). Но в чем причина таких помех, и как с ними бороться? В этой статье (перевод документа TA0314 [1]) как можно снизить щелчки на примере усилителя звука TS4990 от компании STMicroelectronics.
Примечание переводчика: эти рекомендации в равной степени подойдут также для LM4871, XPT4871 и подобных усилителей. Однако к некоторым усилителям с такой же схемой и цоколевкой, например 8002D, эти рекомендации неприменимы (для 8002D конденсатор Cb можно просто исключить). В любом случае потребуются дополнительные эксперименты.
Чтобы лучше понять, откуда берутся щелчки, полезно взглянуть на типовую схему включения усилителя, см. рис. 1.
Здесь мы видим два внешних конденсатора, подключенных к микросхеме TS4990 (такая же схема включения и у LM4871): Cin и Cb. От того как они заряжаются или разряжаются при включении и выключении, зависит характер и громкость слышимого щелчка на выходе.
Оба этих конденсатора заряжаются (и разряжаются с разной скоростью), потому что их цепи имеют разные постоянные времени. Эта разница постоянных времени между цепями Cin и Cb создает в момент включения переходной процесс на входе усилителя, что мы и слышим на выходе как неприятный щелчок. Хорошая новость - подбором постоянных времени Cin и Cb мы можем добиться того, что колебание мембраны динамика будет происходить на достаточно низкой частоте, что будет практически не слышно для человеческого уха.
Примечание: щелчка можно избежать в приложениях, когда усилитель постоянно получает питание, или если применить реле, подключающее динамики на выходе после завершения переходного процесса. Но для мобильных приложений такой способ устранения щелчков не подойдет.
Важно понимать, что в принципиальной схеме включения, показанной на рис. 1, во время переходного процесса (включено - выключено, и наоборот) всегда будет разность потенциалов между входами усилителя, которые подключены к Cin и Cb (эта разность потенциалов по сути главная причина щелчка). Очевидно, что длительность переходного процесса, когда существует разность потенциалов, зависит как от емкости конденсаторов, так и от сопротивления их цепей внешнего окружения. Однако мы можем управлять величиной этой разницы потенциалов и тем, как она будет транслироваться в слышимый шум, если правильно выберем схему включения усилителя и номиналы конденсаторов Cin и Cb. Также желательно выбрать минимальный коэффициент усиления, чтобы перепад напряжения на входах создавал на выходе минимальный щелчок.
В типовой схеме включения, показанной на рис. 1, конденсаторы Cin и Cb выполняют разные функции:
• Конденсатор Cin, включенный последовательно с Rin, формирует ФВЧ, который используется для фильтрации низких частот и постоянного тока. Емкость Cin и сопротивление Rin выбираются таким образом, чтобы на частоте среза Fcl был спад порядка -3dB. Частоту среза можно вычислить по следующей формуле (частота в Гц, сопротивление Rin в омах, емкость Cin в фарадах):
1
Fcl = -----------------
2Π x Rin x Cin
Для усилителей звука мобильных телефонов частоту среза выбрирают 100 Гц. Для высококачественных усилителей частота среза должна быть 20 Гц.
• Конденсатор Cb работает как фильтр внутреннего напряжения смещения, вырабатываемого в микросхеме усилителя. Усилитель достигнет рабочего режима, когда напряжение на Cb достигнет порога 0.5 VCC (половина напряжения питания).
При выборе значений Cin и Cb необходимо достигнуть компромисса между минимальным временем запуска усилителя, частотой среза и подавлением помех по питанию (Power Supply Rejection Ratio, PSRR) усилителя. Мы рассмотрим эти факторы с целью оптимизации параметров усилителя на примере УНЧ TS4990.
В момент старта Cb заряжается с постоянной скоростью (напряжение на нем растет линейно), пока не достигнет уровня 0.5 VCC. В то же время Cin также заряжается, но по экспоненциальному закону, потому что последовательно с ним включен резистор Rin. Схема на рис. 2 показывает взаимосвязь напряжений в момент запуска усилителя.
Оба этих конденсатора заряжаются (и разряжаются с разной скоростью), потому что их цепи имеют разные постоянные времени. Эта разница постоянных времени между цепями Cin и Cb создает в момент включения переходной процесс на входе усилителя, что мы и слышим на выходе как неприятный щелчок. Хорошая новость - подбором постоянных времени Cin и Cb мы можем добиться того, что колебание мембраны динамика будет происходить на достаточно низкой частоте, что будет практически не слышно для человеческого уха.
Примечание: щелчка можно избежать в приложениях, когда усилитель постоянно получает питание, или если применить реле, подключающее динамики на выходе после завершения переходного процесса. Но для мобильных приложений такой способ устранения щелчков не подойдет.
Важно понимать, что в принципиальной схеме включения, показанной на рис. 1, во время переходного процесса (включено - выключено, и наоборот) всегда будет разность потенциалов между входами усилителя, которые подключены к Cin и Cb (эта разность потенциалов по сути главная причина щелчка). Очевидно, что длительность переходного процесса, когда существует разность потенциалов, зависит как от емкости конденсаторов, так и от сопротивления их цепей внешнего окружения. Однако мы можем управлять величиной этой разницы потенциалов и тем, как она будет транслироваться в слышимый шум, если правильно выберем схему включения усилителя и номиналы конденсаторов Cin и Cb. Также желательно выбрать минимальный коэффициент усиления, чтобы перепад напряжения на входах создавал на выходе минимальный щелчок.
В типовой схеме включения, показанной на рис. 1, конденсаторы Cin и Cb выполняют разные функции:
• Конденсатор Cin, включенный последовательно с Rin, формирует ФВЧ, который используется для фильтрации низких частот и постоянного тока. Емкость Cin и сопротивление Rin выбираются таким образом, чтобы на частоте среза Fcl был спад порядка -3dB. Частоту среза можно вычислить по следующей формуле (частота в Гц, сопротивление Rin в омах, емкость Cin в фарадах):
1
Fcl = -----------------
2Π x Rin x Cin
Для усилителей звука мобильных телефонов частоту среза выбрирают 100 Гц. Для высококачественных усилителей частота среза должна быть 20 Гц.
• Конденсатор Cb работает как фильтр внутреннего напряжения смещения, вырабатываемого в микросхеме усилителя. Усилитель достигнет рабочего режима, когда напряжение на Cb достигнет порога 0.5 VCC (половина напряжения питания).
При выборе значений Cin и Cb необходимо достигнуть компромисса между минимальным временем запуска усилителя, частотой среза и подавлением помех по питанию (Power Supply Rejection Ratio, PSRR) усилителя. Мы рассмотрим эти факторы с целью оптимизации параметров усилителя на примере УНЧ TS4990.
В момент старта Cb заряжается с постоянной скоростью (напряжение на нем растет линейно), пока не достигнет уровня 0.5 VCC. В то же время Cin также заряжается, но по экспоненциальному закону, потому что последовательно с ним включен резистор Rin. Схема на рис. 2 показывает взаимосвязь напряжений в момент запуска усилителя.
По рисунку 2 мы видим, что для минимизации щелчка при включении Cin должен заряжаться до порогового значения ((0.5 VCC) быстрее, чем Cb зарядится до этого напряжения, после чего усилитель полностью перейдет в рабочее состояние. Если на Cin будет напряжение меньше, чем 0.5 VCC, когда усилитель перейдет в рабочее состояние (как показано пунктирной линией на рис. 2), то разница потенциалов на входах усилителя будет транслироваться на выход усилителя как щелчок.
Примечание: усилитель LM4871 разработан таким образом, что щелчок на выходе возникает только в момент включения, когда на выводе SD уровень напряжения меняется с высокого на низкий. При выключении, когда на выводе SD уровень напряжения меняется с низкого на высокий, никакого щелчка нет. Также если на выводе SD постоянно присутствует высокий уровень, то включение и выключение питания усилителя не вызывает никакого щелчка на выходе.
Поэтому для минимизации щелчка постоянная времени цепи Cin должна быть (много) меньше времени полного заряда Cb:
τin « tb
Здесь τin это постоянная времени цепи Cin, а tb это время зарядки Cb. Время tb зависит от выбранного значения Cb. Постоянную времени τin можно вычислить по формуле (τin в секундах, Rin в омах, Cin в фарадах):
τin = (Rin + 2000) × Cin
Здесь Rin должен быть ≥ 5000 ом, и 2000 это коэффициент коррекции для постоянной времени.
Как упоминалось выше, выбор Cb определяет компромисс между временем старта усилителя, частотой среза ФВЧ и подавлением помех по питанию (PSRR). Кривые графиков на рис. 3 показывают зависимость времени запуска (tb) от значения емкости Cb. Однако Cb также определяет параметр PSRR усилителя, что также необходимо учитывать, чтобы достичь хороших результатов.
Примечание: усилитель LM4871 разработан таким образом, что щелчок на выходе возникает только в момент включения, когда на выводе SD уровень напряжения меняется с высокого на низкий. При выключении, когда на выводе SD уровень напряжения меняется с низкого на высокий, никакого щелчка нет. Также если на выводе SD постоянно присутствует высокий уровень, то включение и выключение питания усилителя не вызывает никакого щелчка на выходе.
Поэтому для минимизации щелчка постоянная времени цепи Cin должна быть (много) меньше времени полного заряда Cb:
τin « tb
Здесь τin это постоянная времени цепи Cin, а tb это время зарядки Cb. Время tb зависит от выбранного значения Cb. Постоянную времени τin можно вычислить по формуле (τin в секундах, Rin в омах, Cin в фарадах):
τin = (Rin + 2000) × Cin
Здесь Rin должен быть ≥ 5000 ом, и 2000 это коэффициент коррекции для постоянной времени.
Как упоминалось выше, выбор Cb определяет компромисс между временем старта усилителя, частотой среза ФВЧ и подавлением помех по питанию (PSRR). Кривые графиков на рис. 3 показывают зависимость времени запуска (tb) от значения емкости Cb. Однако Cb также определяет параметр PSRR усилителя, что также необходимо учитывать, чтобы достичь хороших результатов.
Последнее ограничение, которое следует учесть для оптимизации работы усилителя TS4990 - значение τin не должно достигать максимального значения для определенной емкости Cb (см. рис. 4).
Если соблюдать эти правила, то TS4990, то можно почти полностью устранить щелчок при включении усилителя даже когда его коэффициент усиления составляет 20 dB.
[Пример вычисления параметров схемы для TS4990]
С помощью показанных выше формул мы можем рассчитать работу TS4990 для типовых условий, показанных в таблице 1.
Таблица 1. Типовые значения исходных параметров для схемы усилителя TS4990.
[Пример вычисления параметров схемы для TS4990]
С помощью показанных выше формул мы можем рассчитать работу TS4990 для типовых условий, показанных в таблице 1.
Таблица 1. Типовые значения исходных параметров для схемы усилителя TS4990.
Емкость конденсатора Cin при Rin = 22 кОм и частоте среза 100 Гц по уровню –3dB:
1
Cin = ----------------------- = 73 нФ
2Π x 22 кОм x 100 Гц
Ближайшая к 73 нФ нормированная емкость составляет 68 нФ, что даст частоту среза 107 Гц.
Это значит, что постоянная времени Cin будет равна приблизительно 1.6 мс:
τin = (22000 + 2000) x 0.000000068 = 0,001632 сек
Вспомним, что должно соблюдаться условие, когда τin должно быть намного меньше tb:
τin « tb
Предположим, что мы хотим получить время tb (время полного заряда конденсатора Cb) грубо на 2 порядка больше τin, или примерно 100 мс. Чтобы достичь времени старта 100 мс при напряжении питания 3.3V мы можем использовать графики рис. 3, и нам потребуется нормализованное значение Cb около 1 мкФ. Это даст разумное значение для τin, поскольку при уменьшении емкости ниже 1 мкФ увеличивается THD+N на низких частотах, и ухудшается PSRR. Аналогично при увеличении Cb свыше 1 мкФ получается выигрыш THD+N на низких частотах, однако параметр PSRR практически не меняется.
С помощью графиков рис. 4 мы можем увидеть, что максимальное значение τin при Cb = 1 мкФ составляет 30 мс. Наше реальное значение τin = 1.6 мс, что ниже максимального значения, что дает нам возможность свести уровень щелчка при включении практически о нуля.
Ниже на рис. 5 показаны в сравнении полученные результаты по уменьшению щелчка, где (a) вариант работы старой схемы усилителя и (b) оптимизированный вариант схемы TS4990.
1
Cin = ----------------------- = 73 нФ
2Π x 22 кОм x 100 Гц
Ближайшая к 73 нФ нормированная емкость составляет 68 нФ, что даст частоту среза 107 Гц.
Это значит, что постоянная времени Cin будет равна приблизительно 1.6 мс:
τin = (22000 + 2000) x 0.000000068 = 0,001632 сек
Вспомним, что должно соблюдаться условие, когда τin должно быть намного меньше tb:
τin « tb
Предположим, что мы хотим получить время tb (время полного заряда конденсатора Cb) грубо на 2 порядка больше τin, или примерно 100 мс. Чтобы достичь времени старта 100 мс при напряжении питания 3.3V мы можем использовать графики рис. 3, и нам потребуется нормализованное значение Cb около 1 мкФ. Это даст разумное значение для τin, поскольку при уменьшении емкости ниже 1 мкФ увеличивается THD+N на низких частотах, и ухудшается PSRR. Аналогично при увеличении Cb свыше 1 мкФ получается выигрыш THD+N на низких частотах, однако параметр PSRR практически не меняется.
С помощью графиков рис. 4 мы можем увидеть, что максимальное значение τin при Cb = 1 мкФ составляет 30 мс. Наше реальное значение τin = 1.6 мс, что ниже максимального значения, что дает нам возможность свести уровень щелчка при включении практически о нуля.
Ниже на рис. 5 показаны в сравнении полученные результаты по уменьшению щелчка, где (a) вариант работы старой схемы усилителя и (b) оптимизированный вариант схемы TS4990.
Рис. 5. Результаты оптимизации схемы TS4990.
В этой схеме на вход подается сигнал от каскада с низким выходным сопротивлением. Напряжение питания VDD = 3.3V подается с выхода электронного ключа. Сигнал управления SD приходит с выхода микроконтроллера.
Для минимизации щелчка включение происходит по следующему алгоритму:
1. Включается питание VDD усилителя и всех усилительных каскадов, которые формируют сигнал на входе.
2. Через задержку 100 .. 300 мс подается лог. 0 на вывод SD, усилитель включается.
3. На вход усилителя подается сигнал.
Выключение происходит по следующему алгоритму:
1. На вывод SD подается лог. 1, усилитель выключается.
2. Без задержки выключается питание VDD.
Для минимизации щелчка включение происходит по следующему алгоритму:
1. Включается питание VDD усилителя и всех усилительных каскадов, которые формируют сигнал на входе.
2. Через задержку 100 .. 300 мс подается лог. 0 на вывод SD, усилитель включается.
3. На вход усилителя подается сигнал.
Выключение происходит по следующему алгоритму:
1. На вывод SD подается лог. 1, усилитель выключается.
2. Без задержки выключается питание VDD.
Следующая публикация
Нет комментариев