CN102137319B - 一种消除噪声的耳机及其驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种消除噪声的耳机及驱动电路，该驱动电路通过SOC(System on Chip)技术将模拟ANC(Active Noise Cancellation有源噪声消除)器、音频前置放大器、混合器和BTL(Bridge Tied load)音频放大器集成到一个芯片上。实施本发明的技术方案，由于采用SOC技术，所以具有以下有益效果：1.避免引入新的噪声信号；2.避免了信号的衰减及失真；3.简化了模拟ANC模块的布线，且使左耳突室和右耳突室的连线减少；4.减少了外部组件，相应地降低了成本；5.整个具有有源噪声消除(ANC)功能的SOC电路可装于耳机的耳突室中；6.具有避免无线通讯电波中分时多工存取噪音干扰的应用设计。
Description
技术领域
本发明涉及音频设备领域，更具体地说，涉及一种具有有源噪声消除功能的耳机及其驱动电路。
背景技术
自卡带机时代以来，便携式电子设备的市场不断增长。噪声消除技术始终是便携式电子设备的发展领域之一，其用于降低到达用户耳膜的噪声声波幅度。有源噪声消除(Active Noise Cancellation technique，ANC)技术使用电子手段产生与输入的环境噪声振幅相同但相位相差180度的声波，因此环境噪声由于相消干涉被消除。
由于诸如MP3、手机、iPod等便携式音频设备的数量不断增加，对于ANC技术的要求不断提高。这种需求驱使着ANC技术向着低成本、小尺寸、低能耗以及便于大规模生产的方向发展。
现在市场上的ANC技术主要由价格昂贵的DSP(Digital SignalProcessing)数码信号处理和分立模似(Discrete Analog)方式主导。
图1示出了现有技术中的一种耳机示意图，该耳机包括左耳突室和右耳突室101、控制组件102，其中，左耳突室和右耳突室101分别包括扬声器和用于接收噪声的麦克风，控制组件102包括带有电池的分立式或DSP的ANC器件、音频放大器。第一连接线104分别将左耳突室和右耳突室101与控制组件102相连，第二连接线105将控制组件102通过端子103与便携式音频设备相连。
然而在使用图1所示的耳机时，有以下问题：
1.从麦克风至ANC器件的线路过长，可能引入新的噪声信号；
2.从控制组件中的音频放大器至扬声器的线路过长，信号会衰减及失真；
3.控制组件与带有扬声器和麦克风的耳突之间的布线比较复杂；
4.分立式和DSP的ANC器件尺寸太大，无法放入耳突室中；
5.分立式和DSP的ANC器件需要大量的外部组件，从而导致引脚过多，且成本较高；
6.DSP的ANC器件需要软件集成；
7.DSP及分立式的ANC器件的能耗较高，且易产生高频干扰；
8.分立式和DSP的ANC器件不利于大规模生产。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种消除噪声的耳机驱动电路，能将控制组件的组件集成在一个芯片上。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种消除噪声的耳机驱动电路，包括通过SOC技术集成到一个芯片的模拟ANC器、音频前置放大器、混合器和BTL音频放大器，其中：
所述模拟ANC器，用于接收并处理来自麦克风的噪声信号，将处理后的噪声信号输出至所述混合器的第一输入端；
所述音频前置放大器，用于接收来自音频设备的音频信号，放大所述来自音频设备的音频信号，并将放大后的音频信号输出至所述混合器的第二输入端；
所述混合器，用于混合所述处理后的噪声信号和放大后的音频信号，并将混合后的音频信号输出至所述BTL音频放大器的输入端；
所述BTL音频放大器，用于放大所述混合后的音频信号，并驱动扬声器播放所述音频信号。
在本发明所述的消除噪声的耳机驱动电路中，所述模拟ANC器包括差分输入可变增益放大器和相位控制器，其中，
所述差分输入可变增益放大器，用于放大来自麦克风的噪声信号；
所述相位控制器，用于将放大后的噪声信号的相位翻转180度。
在本发明所述的消除噪声的耳机驱动电路中，所述差分输入可变增益放大器的增益范围为3dB至39dB。
在本发明所述的消除噪声的耳机驱动电路中，所述音频前置放大器为差分输入音频前置放大器，且其增益范围为0dB至6dB。
在本发明所述的消除噪声的耳机驱动电路中，还包括用于控制所述麦克风和所述音频前置放大器静音的静音控制模块。
在本发明所述的消除噪声的耳机驱动电路中，还包括用于控制来自麦克风噪音信号延迟时间的延迟控制模块。
在本发明所述的消除噪声的耳机驱动电路中，所述驱动电路的电源由音频设备或其它外置电源组件提供。
本发明还构造一种消除噪声的耳机，包括分别用于固定在左右耳朵上的左耳突室和右耳突室，左耳突室和右耳突室内分别设置有扬声器和接收噪声的麦克风，在所述麦克风和所述扬声器之间连接有以上所述的消除噪声的耳机驱动电路。
实施本发明的耳机及其驱动电路，由于采用SOC技术将模拟ANC器、音频前置放大器、混合器和BTL音频放大器集成到一个芯片，所以具有以下有益效果：
1.缩短了从麦克风至ANC器件的连接线，避免引入新的噪声信号及无线高频干扰；
2.缩短了音频放大器至扬声器的线路，避免了信号的衰减及失真；
3.简化了驱动电路的布线，且使左耳突室和右耳突室的连线减少；
4.减少了外部组件，使得整个驱动电路的组件的引脚减少，相应地降低了成本；
5.不需要外部软件的集成；
6.减小能耗，且不易产生高频干扰；
7.更利于大规模生产；
8.可用于单声道音频设备和立体声音频设备；
9.如果电源是由可移动的音视频设备提供，可将耳机直接插入音视频设备，可省略电池功率控制单元。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术中的一种耳机示意图；
图2是本发明消除噪声的耳机驱动电路实施例一的逻辑结构图；
图3是本发明消除噪声的耳机驱动电路实施例二的逻辑结构图；
图4是本发明消除噪声的耳机驱动电路实施例三的电路图；
图5A是本发明消除噪声的耳机实施例一的结构图；
图5B是图5A中左耳突室的结构图；
图5C是图5A中右耳突室的结构图。
其中，
203-模拟ANC器 204-音频前置放大器
205-混合器 206-BTL音频放大器
207-扬声器 U1-差分输入可变增益放大器
U2-相位控制器 U3-差分输入音频前置放大器
U4-BTL音频放大器 U5-增益控制器U5
U6-麦克风偏置产生器 U7-带隙
U8-静音控制器 U9-控制器
M1-混合器
1-接地端 2-电源端
3-ANC使能端 4-音频左声道信号端
5-音频右声道信号端
具体实施方式
在图2示出的本发明消除噪声的耳机驱动电路实施例一的逻辑结构图中，该耳机的驱动电路包括通过SOC技术集成到一个芯片上的模拟ANC器203、音频前置放大器204、混合器205和BTL音频放大器206，其中，模拟ANC器203与耳机的麦克风相连，用于接收并处理来自麦克风的噪声信号，将处理后的噪声音频信号输出至混合器205的第一输入端；音频前置放大器204与外部音频设备相连，用于接收来自音频设备的音频信号，对该音频信号进行放大处理，并将放大后的音频信号输出至混合器205的第二输入端；混合器205混合处理后的噪声信号和放大后的音频信号，并将混合后的音频信号输出至所述BTL音频放大器206的输入端；BTL音频放大器206放大所述混合后的音频信号，并驱动扬声器207播放所述音频信号。
图3是本发明消除噪声的耳机驱动电路实施例二的逻辑结构图，该驱动电路包括通过SOC技术集成到一个芯片上的模拟ANC器310、差分输入音频前置放大器320、混合器330、BTL音频放大器340、静音控制模块350和延迟控制模块360，其中，模拟ANC器310包括差分输入可变增益放大器311和相位控制器312。差分输入可变增益放大器311与耳机的麦克风相连，用于接收并放大来自麦克风的噪声信号，差分输入可变增益放大器311的增益范围为3dB至39dB，然后将放大后的噪声信号输出至相位控制器312，相位控制器312将放大后的噪声信号的相位翻转180度后输出至混合器330的第一输入端。差分输入音频前置放大器320与外部音频设备相连，用于接收来自音频设备的音频信号，并对该音频信号进行放大处理，差分输入音频前置放大器320的增益范围为0dB至6dB，然后将放大后的音频信号输出至混合器330的第二输入端。混合器330混合处理后的噪声信号和放大后的音频信号，并将混合后的音频信号输出至BTL音频放大器340的输入端，BTL音频放大器340放大混合后的音频信号，并驱动扬声器播放音频信号。静音控制模块350用于控制麦克风的噪声信号和差分输入音频前置放大器320的静音。延迟控制模块360用于控制来自麦克风噪音信号延迟时间。
图4是本发明消除噪声的耳机驱动电路实施例三的电路图，在该驱动电路中，差分输入可变增益放大器U1的麦克风正输入端和麦克风负输入端分别麦克风连接，差分输入可变增益放大器U1的麦克风增益调整输入A端和麦克风增益调整输入B端通过电阻R1连接，差分输入可变增益放大器U1的增益调整端连接增益控制器U5的输出端，增益控制器U5的输入端可接收7个增益选择，分别为GA0-GA3及GB0-GB2，差分输入可变增益放大器U1的输出端连接相位控制器U2的输入端，相位控制器U2的输出端连接混合器M1的第一输入端，差分输入音频前置放大器U3的耳机正输入端和耳机负输入端连接音频设备，其输出端接混合器M1的第二输入端，混合器M1的输出端接BTL音频放大器U4的输入端，BTL音频放大器U4的正音响输出端和负音响输出端分别接音频设备的两输入端。控制器U9接收使能信号，并输出至带隙U7，带隙U7的参考端接外置电容C1，其输出端接麦克风偏置产生器U6的输入端，麦克风偏置产生器U6的输出端接麦克风，通过调节电容C1可调起动延迟时间。
下面的表格中列出了图4所示的驱动电路通过SOC技术集成到一个芯片上后各个管脚的编号、名称、功能和类型：
| 管脚编号 | 管脚名称 | 管脚功能 | 管脚类型 |
| 1 | HPIN+ | 耳机正输入 | 模拟输入 |
| 2 | HPIN- | 耳机负输入 | 模拟输入 |
| 3 | MICIN+ | 麦克风正输入 | 模拟输入 |
| 4 | MICIN- | 麦克风负输入 | 模拟输入 |
| 5 | VSS | 地 | 地 |
| 6 | Mic Bias | 麦克风偏置 | 模拟输出 |
| 7 | EN | 使能 | 数字输入 |
| 8 | REV | 麦克风相位反转模式 | 数字输入 |
| 9 | HPgain | 耳机增益选择 | 数字输入 |
| 10 | Mic mute | 麦克风静音控制 | 数字输入 |
| 11 | HP mute | 耳机静音控制 | 数字输入 |
| 12 | Test | 测试模式 | 数字输入 |
| 13 | Ref | 参考电压耦合 | 模拟参考电压 |
| 14 | VSS | 地 | 地 |
| 15 | LPF- | 用于负输出低通滤波器 | 模拟输入 |
| 16 | Out- | 负音响输出 | 模拟输出 |
| 17 | Out+ | 正音响输出 | 模拟输出 |
| 18 | LPF+ | 用于正输出低通滤波器 | 模拟输入 |
| 19 | VDD | 电源供应 | 电压供应 |
| 20 | GA[0] | 麦克风增益选择A[0] | 数字输入 |
| 21 | GA[1] | 麦克风增益选择A[1] | 数字输入 |
| 22 | GA[2] | 麦克风增益选择A[2] | 数字输入 |
| 23 | GA[3] | 麦克风增益选择A[3] | 数字输入 |
| 24 | RA | 麦克风增益调整输入A | 模拟输入 |
| 25 | RB | 麦克风增益调整输入B | 模拟输入 |
| 26 | GB[0] | 麦克风增益选择B[0] | 数字输入 |
| 27 | GB[1] | 麦克风增益选择B[1] | 数字输入 |
| 28 | GB[2] | 麦克风增益选择B[2] | 数字输入 |
结合图5A至图5C，该消除噪声的耳机包括分别用于固定在左右耳朵上的左耳突室51和右耳突室52，左耳突室51内设置有麦克风512和扬声器511，右耳突室52内设置有麦克风522和扬声器521，在麦克风512和扬声器511之间连接有带有图2至图4任一种的耳机驱动电路的驱动板513，在麦克风522和扬声器521之间连接有带有图2至图4任一种的耳机驱动电路的驱动板523。在驱动板513中，引脚1为接地端，引脚2为电源端，引脚3为ANC使能端，引脚4为音频左声道信号端，驱动板的引脚1-4通过连接线与音频设备相连。在驱动板523中，引脚1为接地端，引脚2为电源端，引脚3为ANC使能端，引脚5为音频右声道信号端，驱动板523的引脚1-3，5通过连接线与音频设备相连。由于驱动板513和驱动板523上的驱动电路使用了SOC集成技术，整个驱动电路可装置小于12mm尺寸的(PCB)印刷电路板上，因此可以集成左耳突室51和右耳突室52中。使用该耳机，有以下有益效果：由于驱动电路的电源端与音频设备相连，因此可省略电池单元，驱动电路的电源可在将耳机直接插入音视频设备时，由可移动的音视频设备提供，使得耳机的功耗大幅度降低；该耳机还可同时用于单声道音频设备和立体声音频设备；由于存在ANC使能端子，用户可以选择是否使用ANC功能(这种功能又称为by-pa s s ANC功能)。而电路版嵌入式设计可令麦克风和扬声器的接线减至最短从而减小无线电高频的干扰。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种消除噪声的耳机驱动电路，其特征在于，包括通过SOC技术集成到一个芯片的前馈式模拟ANC器、音频前置放大器、混合器和BTL音频放大器，其中：
所述模拟ANC器，用于接收并处理来自麦克风的噪声信号，将处理后的噪声信号输出至所述混合器的第一输入端；
所述音频前置放大器，用于接收来自音频设备的音频信号，放大所述来自音频设备的音频信号，并将放大后的音频信号输出至所述混合器的第二输入端；
所述混合器，用于混合所述处理后的噪声信号和放大后的音频信号，并将混合后的音频信号输出至所述BTL音频放大器的输入端；
所述BTL音频放大器，用于放大所述混合后的音频信号，并驱动扬声器播放所述音频信号；
所述模拟ANC器包括差分输入可变增益放大器和相位控制器，其中，
所述差分输入可变增益放大器，用于放大来自麦克风的噪声信号；
所述相位控制器，用于将放大后的噪声信号的相位翻转180度；
所述驱动电路还包括用于控制来自麦克风噪音信号延迟时间的延迟控制模块；
所述音频前置放大器为差分输入音频前置放大器，且其增益范围为0dB至6dB。
2.根据权利要求1所述的消除噪声的耳机驱动电路，其特征在于，所述差分输入可变增益放大器的增益范围为3dB至39dB。
3.根据权利要求1所述的消除噪声的耳机驱动电路，其特征在于，还包括用于控制所述控制模拟ANC器和所述音频前置放大器静音的静音控制模块。
4.根据权利要求1所述的消除噪声的耳机驱动电路，其特征在于，所述驱动电路的电源由音频设备提供。
5.一种消除噪声的耳机，包括分别用于固定在左右耳朵上的左耳突室和右耳突室，左耳突室和右耳突室内分别设置有扬声器和接收噪声的麦克风，其特征在于，在所述麦克风和所述扬声器之间连接有权利要求1-4任一项所述的消除噪声的耳机驱动电路。
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