一种消除噪声信号的外围电路的制作方法

本发明实施例涉及电子设备领域，尤其涉及一种消除噪声信号的外围电路。

背景技术：

随着社会的发展和科技的进步，计算机(Computer)、通信(Communication)和消费电子(Consumer Electronics)，简称3C类电子产品发展迅速，并且赢得越来越多消费者的喜爱。而耳机音频输出功能，已经成为绝大多数音视频消费类电子产品(如平板电视、台式机、平板电脑和手机等)的标准配置。目前针对耳机输出电路的设计主要存在如下两种情况：

1、电子设备的系统级芯片(System-on-a-Chip，SOC)内部自带音频信号放大模块，信号的输入/输出(input/output，IO)接口的驱动能力较强，可以直接驱动耳机负载。

2、电子设备的SOC内部无音频信号放大模块，其IO接口阻抗高，驱动能力很弱，需要外加功放才能驱动耳机正常输出。

但是，上述两种情况都存在其各自的缺陷，即：

针对情况1、SOC能直接驱动负载，但是，此类SOC比较少见，耳机音频输出信号的失真也较为严重，且耳机音频输出信号的幅度及信噪比受到SOC本身性能的限制，综合性能不能完全达到标准规范里规定的输出效果。在电子设备开和/或关机期间，会存在明显的‘噼啪’噪声。

针对情况2、外加功放驱动耳机，基本能达到标准规范里规定的输出效果，但是由于SOC芯片型号不同，一些厂家的耳机在系统上电和/或断电期间也会存在一定的‘噼啪’噪声，当然也有一些厂家的SOC控制效果较好，但是价格相对较高，SOC芯片的外围电路也较为复杂，这将使得电子设备的硬件制造成本增加。

技术实现要素：

为解决相关技术问题，本发明提供一种消除噪声信号的外围电路，通过在主控芯片内部无音频信号放大单元的基础上外加设计电路，解决了电子设备在上电或断电期间，耳机输出的音频信号中‘噼啪’噪声的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种消除噪声信号的外围电路，用于消除与音频负载相连的电路系统在上电或断电期间，输出的音频信号中的噪声信号，所述外围电路包括主控芯片，所述外围电路还包括：

驱动模块，连接在所述主控芯片和所述音频负载之间，用于通过阻抗变换，增强音频信号的带负载能力；

静音模块，所述静音模块的输出端与所述驱动模块连接；

控制模块，连接在所述主控芯片和所述静音模块之间，用于在系统上电或断电期间产生控制电平信号；

所述静音模块用于，根据所述控制电平信号，消除所述音频信号中的噪音信号。

本发明实施例提供了一种外围电路，用于消除与音频负载相连的电路系统在上电或断电期间，输出的音频信号中的噪声信号，该外围电路包括主控芯片，还包括驱动模块、控制模块和静音模块。在本技术方案中，驱动模块连接在主控芯片和音频负载之间，用于通过阻抗变换，增强音频信号的带负载能力。通过采用驱动模块对负载进行驱动，解决了现有技术中，由于SOC直接驱动如耳机等负载所造成的，输入到耳机中的音频信号的幅度(信号失真)以及“噼啪”噪声等问题。控制模块连接在所述主控芯片和所述静音模块之间，用于在系统上电或断电期间产生控制电平信号，该控制电平信号触发所述静音模块在电路系统上电或断电期间工作。静音模块的输出端与所述耳机驱动模块连接，用于根据控制电平信号，对音频信号进行静音处理，以消除电路系统上电或断电期间输出的音频信号中的噪声信号。本发明实施例提供的技术方案，采用了由驱动模块、静音模块和控制模块组成的外加功放电路来驱动耳机，在系统上电或断电期间，控制模块产生一段时间(如2～3秒)的高电平信号，以触发静音模块进行动作，不仅消除了在系统上电或断电期间输出的音频信号中的噪声信号，同时也可使得音频信号的输出性能更加稳定，在满足耳机输出接口标准的基础上，相对于现有技术中的耳机驱动电路，达到了降低成本的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种消除噪声信号的外围电路的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种双声道消除噪声的耳机外围电路示意图；

图3为本发明实施例二提供的一种优选的单路驱动模块示意图；

图4为本发明实施例二提供的一种控制电路示意图；

图5为本发明实施例二提供的一种单声道静音电路示意图；

图6为本发明实施二提供的一种带静音电路的单通道耳机驱动电路图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种消除噪声信号的外围电路的结构示意图，该电路可集成到具备主控芯片的如平板电视等电子设备中，用于消除与音频负载相连的电子设备在上电或断电期间，输出的音频信号中的噪声信号，同时也可消除电子设备在待机或开机期间输出的音频信号中的噪声信号。如图1所示，该电路具体包括：主控芯片100、驱动模块110、控制模块120和静音模块130。

其中，驱动模块110，连接在主控芯片100和音频负载之间，用于通过阻抗变换，增强音频信号的带负载能力；控制模块120，连接在主控芯片100和静音模块130之间，用于在电子设备上电或断电期间产生控制电平信号；静音模块130，其输出端与驱动模块110连接，用于根据控制电平信号控制所述音频信号的输出，消除电子设备上电或断电期间，音频信号中的噪声信号。

示例性的，音频负载优选为耳机。

示例性的，本技术方案中的主控芯片100作为音频信号的输出IO接口，用于输出音频信号(图1中为AMP-INL和AMP-INR)，其输出端口的阻抗为1KΩ，主控芯片在空载时输出电压信号的有效值最大为1V。而在一般情况下，耳机的阻抗为16Ω-64Ω。具体的，大多数消费类电子产品的耳机阻抗为32Ω，其中，平板电视的耳机接口也基本是按照32Ω阻抗的标准设计的；并且，平板电视在带负载情况下，输出电压信号的幅值的有效值要求为300～500mV。通过上述分析可知：由于主控芯片IO接口的阻抗较高，因此，需要额外添加外置驱动电路才能达到耳机输出幅度的基本要求。而本发明的技术方案中采用驱动模块作为进行主芯片IO接口阻抗变换的主要电路。

示例性的，目前市面上大部分电子设备(以下简称系统)在上电或断电，待机或开机时，在与其连接的耳机输出的音频中会产生“噼啪”噪声。而集成有本实施例提供的耳机外围电路的电子设备(系统)在上电或断电，待机或开机时，控制模块120将产生一定宽度的高电平控制信号使能网络MUTE_EN，通过该高电平控制信号控制静音模块130作用，进而消除电子设备在上电或断电，待机或开机期间通过耳机输出的音频中产生的“噼啪”噪声。

本发明实施例提供了一种消除噪声信号的外围电路，该电路包括主控芯片，还包括驱动模块、控制模块和静音模块。在本技术方案中，驱动模块，连接在所述主控芯片和音频负载之间，用于通过阻抗变换，增强音频信号的带负载能力。通过采用驱动模块对负载进行驱动，可解决现有技术中，由于SOC直接驱动负载，所造成的输入到耳机中的音频信号的幅度以及“噼啪”噪声等问题。控制模块，连接在所述主控芯片和所述静音模块之间，用于在系统上电和/或断电期间产生控制电平信号，以控制所述静音模块工作；所述静音模块的输出端与所述耳机驱动模块连接，用于根据所述控制电平信号控制所述音频信号的输出，消除系统上电或断电期间，所述音频信号中的噪声。本发明实施例提供的技术方案，采用了外加功放电路(驱动模块、静音模块和控制模块)来驱动耳机，在系统上电或断电期间，控制模块产生一段时间的高电平信号控制静音模块进行动作，消除了在系统上电或断电期间，音频信号中的噪声。同时也可使得音频信号的输出性能更加稳定，在满足耳机输出接口标准的基础上，相对于现有技术中的耳机驱动电路，达到了降低成本的效果。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的一种双声道消除噪声的耳机外围电路示意图，本实施例在上述实施例的基础上进行了细化，如图2所示，该耳机外围电路包括主控芯片200、驱动模块210、控制模块220和静音模块230。下面分别对各个模块的工作原理以及各个模块中不同部件参数的选择进行具体说明：

一、对驱动模块210进行具体说明：

示例性的，图3为本发明实施例二提供的一种优选的单路驱动模块示意图。如图3所示，驱动模块210包括射极跟随器电路211、滤波电路212。其中，射极跟随器电路211，连接在主控芯片200和负载RL之间，用于降低主控芯片的输出阻抗，增强音频信号的带负载能力；滤波电路212，连接在射极跟随器211的集电极和地之间，用于降低耦合到电源端的噪声。下面分别对射极跟随器电路211和滤波电路212进行具体解释：

1、射极跟随器电路211

在对射极跟随电路211进行说明之前，首先对本方案中的电源电压的选择进行说明：本方案中的电源优选为5V电源，也可以为3.3V。该电源由低压差线性稳压器(low dropout regulator，LDO)生成，而非开关电源(DC-DC生成)。这是由于LDO的电源噪声较小，因此对耳机输出影响也较小。若采用开关电源，由于开关电源的开关频率噪声较大，因此，对耳机输出的音频信号影响也较大。

接下来，对射极跟随器电路的特点及其包括的组件进行详细说明：

射极跟随器电路211的特点是：(1)输入阻抗高、输出阻抗低(理想状态下输出阻抗为0)，且不受负载电路的影响；(2)电压放大倍数近似为1，即，通过射极跟随器电路后输出的音频信号的电压与输入射极跟随器电路的音频信号的电压相同，且输出的音频信号频率特性较好。基于上述特点，本方案通过采用射极跟随器电路作为耳机的驱动电路，可降低主控芯片IO接口的输出阻抗，增强音频信号的带负载能力。

示例性的，射极跟随器电路中的晶体管的型号优选为KMBT3904。这是因为：按照耳机外围电路的设计规格，负载电流最大值为18.75mA(600mA÷32Ω)。当增加负载使得输出电流增大时，若驱动电路能力不足，输出的音频信号将会失真(例如输出信号波形的负侧将被截去)，所以三极管发射极电流I_E≈50mA，V_CBO和V_CEO的最大额定值要达到5V以上，且频率带宽要满足20Hz:20KHz。由于型号为KMBT3904的晶体管可以满足上述要求，因此，射极跟随器电路中的晶体管的型号优选为KMBT3904。

如图3所示，射极跟随器电路211包括：第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1和第二电阻R2。

其中，第一电容C1连接在主控芯片200与射极跟随器电路211的基极之间，用于切断输入的音频信号中的直流电压。第二电容C2，连接在射极跟随器电路211的发射极与负载RL之间，用于隔绝直流，将交流音频信号输出给负载RL；第二电阻R2和第一电阻R1串联后的电路，连接在第一电源(图中为5V)与地之间，用于对主控芯片200输出的音频信号进行分压。具体的，射极跟随器电路211还包括发射极电阻R9，该发射极电阻R9连接在射极跟随电路的发射极和地之间。

具体的，下面分别对第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1和第二电阻R2的工作原理及其参数选择进行详细说明：

(1)第一电容C1和第二电容C2

C1为输入音频信号的耦合电容，其目的是切断输入端的直流电压，与偏置电路的电阻(R1和R2)形成CR高通滤波器。此时，这里优选C1＝10μF。C2为输出信号的耦合电容，其目的也是切断其输出的音频信号中的直流电压，与耳机32Ω负载电阻形成CR高通滤波器，计算方法同上，经计算C2＝220μF。

(2)第一电阻R1和第二电阻R2

示例性的，射极跟随器电路211将偏置电压V_B设定在电源电压(5V)与GND的中点，即V_B＝2.5V。发射极电流I_E≈50mA。三级管直流工作下基极与发射极之间的电压V_BE＝0.6V，此时，根据电阻E24系列，本方案中发射极电阻R9优选为39Ω。因为发射极电流较大(50mA)，且KMBT3904的hFE(共发射极低频小信号输出交流短路电流放大系数)的最小值为100，最大值为300，因此，本方案中hFE优选为200。此时，基极电流I_B＝500mA÷200＝0.25mA。所以基极电流不可忽略。

由于基极电流的存在，基极的偏置电阻R2大于R1时才可以满足基极电压V_B＝2.5V的要求。同时需要考虑此射极跟随器电路的输入阻抗为R1//R2≈2.2K，主控芯片的音频输出信号的IO接口阻抗为1KΩ，R1//R2将对主控芯片的音频输出信号进行分压。根据耳机通道输出音频信号幅值的有效值300～500mV的要求，这里R1优选为3.3KΩ，R2优选为6.8KΩ。

2、下面对滤波电路212进行详细说明：

示例性的，如图3所示，滤波电路212包括第五电容C5和第六电容C6。其中，C5和C6并联后的电路连接在射极跟随器电路211的集电极和地之间。C5和C6可作为电源的去耦电容，用于滤除输出音频信号中的噪声。

二、对控制模块220进行具体说明：

示例性的，图4为本发明实施例二提供的一种控制电路示意图。如图4和图2所示，控制模块包括：第一电源+12_NOR；第二电源+3.3V_Standby；第四电阻R4；第五电阻R5；第六电阻R6，所述第六电阻R6与第五电阻R5串联后，连接在第一电源+12_NOR与地之间；第七电阻R7；第八电阻R8；第一二极管D1，并联在第八电阻R8的两端；第二二极管D2；第三二极管D3，所述第三二极管D3的正极端通过第七电阻R7与第二电源+3.3V_Standby连接，第三二极管D3的负极端述第二二极管D2的负极端连接；第二三极管Q2，所述第二三极管的基极通过第四电阻R4与第一二极管D1的正极连接，第二三极管Q2的集电极通过第二二极管D2与第一三极管Q1的基极连接，第二三极管Q2的发射极通过第五电阻R5与第一电源+12_NOR连接；第三电容C3，并联在第六电阻R6的两端；第四电容C4，连接在第一二极管D1的正极端与地之间。

优选的，第二三极管Q2为PNP型三极管。

具体的，第一电源+12_NOR为AC-DC系统板卡开机和/或待机时进行供电的直流电源，+3.3V_Standby为板卡DC-DC开机和/或待机时，进行供电的直流电源。+12_NOR也可以用+5V_NOR替代，+5V_NOR为系统板卡DC-DC开机直流电源，待机后变为0V。

在系统交流上电(开机)期间，+12_NOR通过第五电阻R5给第三电容C3充电，时间常数τ₁＝RC＝R5×C3＝0.940S，同时+12_NOR也通过第八电阻R8给第四电容C4充电。同理，时间常数τ₂＝RC＝R8×C4＝2.21S。经过3～5个RC后，充电过程基本结束。由于τ₁<τ₂，因此，在充电过程中，C3的电压高于C4的电压，即第二三极管Q2基极与发射极之间的电压的V_EB>0，因为τ₁与τ₂相差较大(1.27S)，因此，随着C3与C4压差的增加，Q2导通速度加快，使得使能MUTE_EN网络为高电平，并作用于静音电路。

在系统交流断电(关机)期间，+12V_NOR可以简单等效GND来看，C3通过R5与R6放电。此时，τ₁*＝RC＝(R6//R5)×C3＝0.827S，同样经过3～5个时间常数后，电容会放电结束。由于第一二极管D1并联在第八电阻R8的两端，因此C4的放电回路R8会被第一二极管D1旁路，放电结束较快。这样第二三极管Q2在断电期间会马立即导通，进而使得使能MUTE_EN网络为高电平，并作用于静音电路。

示例性的，如图4所示，当系统在开机或待机期间，主控芯片的IO接口可直接作用于AMP_MUTE网络，使MUTE_EN网络产生高电平，控制静音电路作用。

需要注意的是：R5与R6阻值的选择，之所以使用两个电阻，是为了使交流上电结束电路正常工作后C3电压小于12V，第二三极管Q2的基极与发射极之间的电压的V_EB<0，第二三极管Q2完全处于截止状态。这样设置可以防止电路正常工作时，由于三极管Q2误动作而使静音使能。

三、对静音模块230进行具体说明：

示例性的，图5为本发明实施例二提供的一种单声道静音电路示意图。如图5所示，静音模块包括：第三电阻R3、第一MOS管QM1、第二MOS管QM2和第一三极管Q1。

其中，第三电阻R3连接在第二电容C2的负极端与地之间，用于为所述第二电容提供充放电回路；第一MOS管QM1与第二MOS管QM2反向串联，用于消除系统上电和/或断电期间，所述音频信号中的噪声；第一三极管Q1的集电极与第一MOS管QM1的栅极连接，第一三极管Q1的发射极接地，第一三极管Q1的基极与所述控制模块220的使能端连接，用于根据控制电平信号控制所述第一和第二MOS管的开通和关断。

优选的，如图5所示，第一MOS管QM1和第二MOS管QM2都为N沟道增强型MOS管，其基本特性为栅极与源级电压大于开启电压的时候MOS管导通。因为QM1和QM2在耳机外围电路中主要是起到开关的作用，所以本方案中优选比较通用的型号2N7002。具体的，整体参数满足设计规格为：V_GS(th)典型值为2.5V，V_GS极限值为±30V，V_DS最大值为60V，I_D最大值为300mA。第一三极管Q1也是起到简单的开关作用，本方案中优选与射极跟随器电路同样的型号(KMBT390)。电源网络为+5V_NOR，大于V_GS(th)典型值2.5V，可以确保MOS管的正常导通。

示例性的，静音模块还包括：第七电容C7，并联在负载RL的两端，用于滤除输出给负载的音频信号中的杂波。

示例性的，如图5所示的电路中，图中负载RL等效为32欧姆耳机阻抗。在系统上电过程中，5V电源会从0V变为5V，Q3发射级电位也会从0V变为相应的直流电平，此过程相当于交流，第二电容(此处为电解电容，优选为220μF)C2在没有充满电荷期间不会起到隔绝直流的作用，因此，充电回路经过耳机时将会有一定宽度的正向脉冲。由于耳机负载比较小，对正向脉冲较为敏感，因此该正向脉冲进入用户耳朵后，用户的主观感受就是‘噼啪’的噪声。而掉电过程第二电容的放电回路会再次经过耳机，使耳机负责产生一定宽度的反向脉冲，入耳的主观感受同样是‘噼啪’的噪声。因此，第二电容是产生“噼啪”噪声的主要来源。但是由于声音频响要求(第二电容C2为输出信号的耦合电容，其目的是切断其前端输出的直流电压)，所以该电容不能去除。综上所述，只要保证系统上电及断电期间电解电容充放电回路不经过耳机负载，那么就不会在负载RL上产生一定宽度的正脉冲和负脉冲，也就不会产生‘噼啪’噪声。

示例性的，图6为本发明实施二提供的一种带静音电路的单通道耳机驱动电路图。如图6所示，在上电期间通过控制模块220产生一定宽度的高电平使能MUTE_EN网络，使第一MOS管QM1和第二MOS管QM2的栅极电平拉低，QM1和QM2关断，第二电容通过电阻R9充电，待上电过程结束C2基本充满电荷，控制模块220产生的MUTE_EN网络的使能脉冲结束，第一三级管Q1截至，QM1和QM2恢复正常工作。掉电过程与上述内容原理相同，掉电期间控制电路产生一定宽度的正向使能信号作用在MUTE_EN，Q1截至，QM1和QM2关断，第二电容通过R3和R9回路放电。

需要注意的是，QM1与QM2须反向串联，且管脚网络如图6所示。N沟道增强型MOS管只要保证V_GS>V_GS(th)，那么漏级D与与原级S间的导电沟道就会形成，QM1与QM2将处于导通状态，电流可以由漏级流向源级，也可源级流向漏级，具体根据两级电压大小而决定。从图6可知，QM1与QM2的栅极连接的是5V，所以正常工作状态下两个MOS管都处于完全导通状态。因为MOS内部有本身寄生的二极管存在，方向为由源级到漏级，在MOS管工作在夹断区时将会使MOS管无法彻底关断，本身寄生的二极管为第二电容C2提供充电或者放电回路，同样会有充放电电流流过耳机负载，‘噼啪’噪声依然存在。如果只保留QM1，断电时其寄生二极管D4就会作用，负载RL会出现负脉冲；如果只保留QM2，上电时其寄生二极管D5就会作用，负载RL会出现正脉冲。但是，不管时正脉冲还是负脉冲，人耳主观去听都是‘噼啪’噪声。如图5所示，如果两只MOS管反向串联，那么在MOS管关断时寄生的二极管会相互阻断其通路使MOS管达到彻底的关断作用，就不会有充放电电流流过耳机负载。因此，通过将第一MOS管QM1和第二MOS管QM2反向串联，可以消除系统在上电、断电、待机和开机期间，音频信号中的“噼啪”噪声。

本实施例在上述实施例的基础上，提供了一种消除噪声的耳机外围电路。通过利用控制模块中的RC电路的充放电特性，使MUTE_EN网络产生一段时间的高电平以控制静音电路，使其作用。通过将静音电路中的双MOS管采用反向串联的方式，可消除系统在上电、断电、开机和/或待机时的噪声。相对于传统待耳放IC的耳机输出电路，本实施例的技术方案在满足耳机输出接口标准的情况下，成本较低、输出稳定且通用性强，可带给用户良好的收听体验。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。