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.

Рис. 1. Функциональная схема включения усилителя TS4990.

Здесь мы видим два внешних конденсатора, подключенных к микросхеме TS4990 (такая же схема включения и у LM4871): C_in и C_b. 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 C_in и C_b создает в момент включения переходной процесс на входе усилителя, что мы и слышим на выходе как неприятный щелчок. Хорошая новость - подбором постоянных времени C_in и C_b 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 C_in и C_b (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 C_in и C_b. 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 C_in и C_b выполняют разные функции:

• Конденсатор C_in, включенный последовательно с R_in, формирует ФВЧ, который используется для фильтрации низких частот и постоянного тока. Емкость C_in и сопротивление R_in выбираются таким образом, чтобы на частоте среза F_cl был спад порядка -3dB. Частоту среза можно вычислить по следующей формуле (частота в Гц, сопротивление R_in в омах, емкость C_in в фарадах):

              1
F_cl = -----------------
       2Π x R_in x C_in

Для усилителей звука мобильных телефонов частоту среза выбрирают 100 Гц. Для высококачественных усилителей частота среза должна быть 20 Гц.

• Конденсатор C_b работает как фильтр внутреннего напряжения смещения, вырабатываемого в микросхеме усилителя. Усилитель достигнет рабочего режима, когда напряжение на C_b достигнет порога 0.5 V_CC (половина напряжения питания).

При выборе значений C_in и C_b 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 C_b заряжается с постоянной скоростью (напряжение на нем растет линейно), пока не достигнет уровня 0.5 V_CC. В то же время C_in также заряжается, но по экспоненциальному закону, потому что последовательно с ним включен резистор R_in. Схема на рис. 2 показывает взаимосвязь напряжений в момент запуска усилителя.

Рис. 2. Диаграмма заряда конденсаторов C_in и C_b в момент включения усилителя.

По рисунку 2 мы видим, что для минимизации щелчка при включении C_in должен заряжаться до порогового значения ((0.5 V_CC) быстрее, чем C_b зарядится до этого напряжения, после чего усилитель полностью перейдет в рабочее состояние. Если на C_in будет напряжение меньше, чем 0.5 V_CC, 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 C_in должна быть (много) меньше времени полного заряда C_b:

τ_in « t_b

Здесь τ_in это постоянная времени цепи C_in, а t_b это время зарядки C_b. Время t_b зависит от выбранного значения C_b. Постоянную времени τ_in можно вычислить по формуле (τ_in в секундах, R_in в омах, C_in в фарадах):

τ_in = (R_in + 2000) × C_in

Здесь R_in должен быть ≥ 5000 ом, и 2000 это коэффициент коррекции для постоянной времени.

Как упоминалось выше, выбор C_b определяет компромисс между временем старта усилителя, частотой среза ФВЧ и подавлением помех по питанию (PSRR). Кривые графиков на рис. 3 показывают зависимость времени запуска (t_b) от значения емкости C_b. Однако C_b также определяет параметр PSRR усилителя, что также необходимо учитывать, чтобы достичь хороших результатов.

Рис. 3. Зависимость времени запуска от емкости блокировочного конденсатора C_b.

Последнее ограничение, которое следует учесть для оптимизации работы усилителя TS4990 - значение τ_in не должно достигать максимального значения для определенной емкости C_b (см. рис. 4).

Рис. 4. Максимальное значение τ_in для выбранного значения емкости C_b.

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.

Емкость конденсатора C_in при R_in = 22 кОм и частоте среза 100 Гц по уровню –3dB:

                 1
C_in = ----------------------- = 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 C_in будет равна приблизительно 1.6 мс:

τ_in = (22000 + 2000) x 0.000000068 = 0,001632 сек

Вспомним, что должно соблюдаться условие, когда τ_in должно быть намного меньше t_b:

τ_in « t_b

Предположим, что мы хотим получить время t_b (время полного заряда конденсатора C_b) грубо на 2 порядка больше τ_in, 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 C_b около 1 мкФ. Это даст разумное значение для τ_in, поскольку при уменьшении емкости ниже 1 мкФ увеличивается THD+N на низких частотах, и ухудшается PSRR. Аналогично при увеличении C_b 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 τ_in при C_b = 1 мкФ составляет 30 мс. Наше реальное значение τ_in = 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.

(a)
(b)

Рис. 5. Результаты оптимизации схемы TS4990.

[Практическая схема включения LM4871]

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.

[Ссылки]

1. TA0314 Pop & Click in Audio Amplifiers site:st.com.
2. 220915TS4990-LM4871.zip - даташиты на микросхемы усилителей LM4871 и TS4990, документ TA0314.