CN112637735A - 一种模拟信号的板级噪声消除电路及音频输出设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟信号的板级噪声消除电路及音频输出设备，该电路包括设置于音频处理芯片的数模转换电路以及信号驱动电路，数模转换电路向信号驱动电路输出差分信号，信号驱动电路向设置于电路板的输出耦合电容输出信号；其中，音频处理芯片内还设置有参考电压产生电路，参考电压产生电路接收基准电压，且参考电压产生电路还接收设置于电路板的输入耦合电容所输出的信号，参考电压产生电路向信号驱动电路输出参考电压。该音频输出设备包括电路板，电路板上设置有音频处理芯片，并且，该电路板上还设置有上述的模拟信号的板级噪声消除电路。本发明结构简单，且能够有效消除电路板接地对模拟信号所产生的噪声和干扰。

Description

一种模拟信号的板级噪声消除电路及音频输出设备

技术领域

本发明涉及模拟信号处理的技术领域，具体地，是一种模拟信号的板级噪声消除电路以及具有这种电路的音频输出设备。

背景技术

目前，智能手机、平板电脑等智能终端设备大多具有播放音频的功能，因此，耳机已经成为智能终端设备的标准配置，智能终端设备向耳机输出音频信号。通常，智能终端设备内设置有电路板，电路板上设置有音频处理芯片，音频处理芯片上设置有数模转换电路，数模转换电路用于接收处理器输出的数字信号，并且将数字信号转换成模拟信号并将模拟信号输出至耳机。由于数模转换电路输出的模拟信号功率较低，通常需要在音频处理芯片上设置信号驱动电路，用于提高驱动能力进而驱动耳机。

通常，智能终端设备设置有连接插座，耳机可以插入到该连接插座内，音频处理芯片输出的模拟信号是通过连接插座传输至耳机。但由于模拟信号非常容易受干扰，一旦信号驱动电路输入到耳机的模拟信号受到干扰，就会导致耳机播放的声音受到干扰，影响音乐的播放质量。因此，对于音频处理芯片而言，保证输出的模拟信号不被干扰是设计的重点。

为了提高模拟信号的抗干扰能力，现有的模拟信号通常采用差分工作的方式，即数模转换电路输出的信号包括两路差分信号，信号驱动电路包括一个运算放大器，运算放大器接收两路差分信号并对两路差分放大信号进行差分放大后输出单端信号，单端信号将输出至耳机。

然而，对单端模拟信号的抗干扰处理的难度非常大，并且，由于电路板自身也会存在干扰信号，例如电路板的接地GND会对模拟信号产生噪声和干扰。以单声道耳机为例，现有的音频处理芯片通常输出一路单端模拟信号作为耳机的输入信号，通常该单端模拟信号具有一个直流偏置电压，一般为电源电压的一半，即VCC/2。如果该单端模拟信号直接输出至耳机，该单端模拟信号会产生直流损耗，效率降低的同时甚至损坏耳机，因此需要在电路板上设置一个较大的耦合电容隔断该直流偏置电压，耳机的另外一端会连接在电路板的接地上。

通常，音频处理芯片内的电源和接地都会经过比较好的RC滤波，而电路板的干扰信号会错综复杂，因此会存在音频处理芯片内部的接地和电路板上靠近连接插座附近的接地不同的情况，此时如果电路板的接地附近存在噪声和干扰，就会在耳机播放过程中出现杂音，不符合产品应用需求。现有解决方案主要聚焦在处理上电和断电过程中由于输出耦合电容或者佐贝尔电容充放电引起的杂音，并没有针对电路板上的接地附近的噪声进行处理的方案。

例如公告号为CN101933224A发明专利申请公开了一种音频处理电路，该电路将参考电压Vref通过第二运算放大器输出并作为第一运算放大器的参考电压，但这种方案无法消除电路板接地附近的噪声和干扰引起的杂音，耳机声音播放效果不理想。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种能够有效避免电路板接地的噪声输入到耳机的模拟信号的板级噪声消除电路。

本发明的另一目的是提供一种上述模拟信号的板级噪声消除电路音频输出设备。

为实现本发明的主要目的，本发明提供的模拟信号的板级噪声消除电路包括设置于音频处理芯片的数模转换电路以及信号驱动电路，数模转换电路向信号驱动电路输出差分信号，信号驱动电路向设置于电路板的输出耦合电容输出信号；其中，音频处理芯片内还设置有参考电压产生电路，参考电压产生电路接收基准电压，且参考电压产生电路还接收设置于电路板的输入耦合电容所输出的信号，参考电压产生电路向信号驱动电路输出参考电压。

由上述方案可见，在音频处理芯片上还设置有参考电压产生电路，电路板上设置有输入耦合电容，电路板上靠近连接插座附近的噪声和干扰信号可以通过输入耦合电容输入至参考电压产生电路，参考电压产生电路将基准电压与输入耦合电容输出的信号进行叠加后，输出至信号驱动电路，这样，信号驱动电路所接收到的信号是包含有电路板靠近连接插座附近的噪声信号的参考电压信号。信号驱动电路向耳机输出的信号实际上是包含有与电路板的接地相同的噪声和干扰。由于耳机的两端存在相同的噪声，因此，耳机两端的噪声相互抵消，这样，可以消除因为电路板的接地噪声和干扰引起的杂音。

一个优选的方案是，电路板上设置有连接插座，连接插座的两端分别连接至输入耦合电容与输出耦合电容，优选的，连接插座可与音频输出器件电连接，音频输出器件可以是耳机、音箱等。

由此可见，电路板靠近连接插座附近的噪声通过输入耦合电容加载到参考电压产生电路，而信号驱动电路输出的模拟信号经过输出耦合电容到音频输出器件，确保交流信号经过输入耦合电容后可以经过输出耦合电容并输出至音频输出器件，确保音频输出器件两端的噪声信号相同。

进一步的方案是，输入耦合电容的第一端与参考电压产生电路连接，输入耦合电容的第二端连接至连接插座。

可见，输入耦合电容连接至电路板靠近连接插座附近的接地端，这样，输入耦合电容可以将该接地的噪声信号传输至参考电压产生电路，从而使得信号驱动电路输出的信号包含有电路板靠近连接插座附近的噪声信号。

更进一步的方案是，参考电压产生电路包括一个电压跟随器，电压跟随器的输入端接收基准电压与输入耦合电容输出的信号，电压跟随器向信号驱动电路输出参考电压。

由此可见，通过电压跟随器将基准电压以及输入耦合电容输出的信号进行叠加，并且输出至信号驱动电路，且电压跟随器的输出信号跟随输入信号的变化而变化，因此，可以确保输出至信号驱动电路的参考电压会跟随噪声信号的变化而变化。

一个优选的方案是，信号驱动电路包括一个单端输出的运算放大器，运算放大器接收数模转换电路输出的差分信号，参考电压产生电路输出的参考电压输入至运算放大器的一个输入端。

由此可见，通过运算放大器可以对数模转换电路输出的两路差分信号实现音量调节，并且输出单端模拟信号，从而对耳机进行驱动。

更进一步的方案是，数模转换电路的输出端与运算放大器的反向输入端之间连接有第一电阻，运算放大器的输出端与反向输入端之间连接有第二电阻；数模转换电路的输出端与运算放大器的正向输入端之间连接有第三电阻，参考电压产生电路的输出端与正向输入端之间连接有第四电阻。

进一步的，第一电阻的阻值与第三电阻的阻值相等，第二电阻的阻值与第四电阻的阻值相等。

可见，通过设置运算放大器的各个电阻的阻值，可以确保运算放大器输出的信号就是将两路差分信号经过预设比例增益后与参考电压的叠加，有利于通过输出耦合电容对基准电压中的噪声信号进行滤除，获得经过差分放大的音频信号。

为实现上述的另一目的，本发明提供的音频输出设备包括电路板，电路板上设置有音频处理芯片，并且，该电路板上还设置有上述的模拟信号的板级噪声消除电路。

附图说明

图1是本发明模拟信号的板级噪声消除电路实施例与耳机的原理框图。

图2是本发明模拟信号的板级噪声消除电路实施例与耳机的结构示意框图。

图3是本发明模拟信号的板级噪声消除电路实施例与耳机的电原理图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的模拟信号的板级噪声消除电路应用在音频输出设备上，音频输出设备可以是智能手机、平板电脑等智能终端设备，音频输出设备可以向耳机、音箱等输出音频信号，音频输出设备具有一个壳体，在壳体内设置有电路板，电路板上设置有芯片，且音频输出设备还设置有连接插座，连接插座可与音频输出器件电连接，音频输出器件可以是耳机、音箱等，音频输出器件可接收模拟信号。

音频输出设备的壳体内设置有电路板，电路板上设置有音频处理芯片并且可以向耳机输出模拟信号，即耳机接收音频处理芯片所输出的信号。参见图1，音频处理芯片内部形成模拟信号驱动电路10，而电路板上形成板级电路20，模拟信号驱动电路10通过一个信号输出端子OUT向板级电路20输出模拟信号，例如，该模拟信号是一个用于驱动耳机的信号。并且，板级电路20通过一个信号输入端子FB向模拟信号驱动电路10输入信号，该信号是电路板接地的噪声信号。这样，板级电路20可以将电路板接地的噪声反馈至模拟信号驱动电路10。

参见图2，音频处理芯片内设置有数模转换电路11、信号驱动电路12以及参考电压产生电路13，电路板上设置有输出耦合电容21、输入耦合电容22以及连接插座，耳机23可以插入到连接插座内。需要说明的是，耳机23不属于本实施例的模拟信号的板级噪声消除电路。

数模转换电路11接收智能手机、平板电脑等智能终端设备的处理器传输的数字信号，例如，该数字信号为数字音频信号。数模转换电路11接收到数字音频信号后，将数字音频信号转换成模拟信号，并将所转换的模拟信号输出至信号驱动电路12。优选的，数模转换电路11输出的模拟信号包括两路的差分信号。

信号驱动电路12接收数模转换电路11所输出的模拟信号，并且还接收参考电压产生电路13所输出的参考电压。信号驱动电路12接收数模转换电路11输出的差分信号，并且将两路差分信号进行差分信号转换成单端输出，并且将参考电压叠加到其中一路差分信号上，从而输出驱动信号。

信号驱动电路12所输出的驱动信号经过输出耦合电容21后输出至耳机23，具体的，耳机23可以连接至连接插座，连接插座的两端分别连接至输出耦合电容21以及输入耦合电容22，输入耦合电容22的一端接地，另一端与参考电压产生电路13点连接，因此，参考电压产生电路13接收来自电路板接地的噪声信号，这样，信号驱动电路12所输出的驱动信号包含有来自电路板接地的噪声信号。从图2可以看出，连接插座的一端还连接至电路板接地GND，且输入耦合电容22也是连接至该接地点。

另外，参考电压产生电路13还接收基准电压，当基准电压的信号经过输出耦合电容21时，被输出耦合电容21过滤，这样，可以确保信号驱动电路12所输出的驱动信号只包含经过差分放大的模拟信号以及来自电路板的干扰信号。这样，通过在耳机13的驱动信号上叠加来自电路板接地的噪声信号，使得耳机23两端的噪声信号相互抵消，从而消除电路板接地的噪声信号对耳机23输出的音频信号的干扰。

参见图3，数模转换电路11将数字信号转换为模拟信号后，形成两路差分信号LN、LP，并将两路差分信号LN、LP输出至信号驱动电路12。信号驱动电路12包括一个单端输出的运算放大器121，运算放大器121，接收两路差分信号LN、LP，并对两路差分信号LN、LP进行差分放大运算，并转化成单端模拟信号输出，因此，信号驱动电路12可以实现两路差分信号转化成单端模拟信号输出、模拟信号增益的音量调节、低通滤波器和驱动耳机23播放的功能。

具体的，数模转换电路11的输出端与运算放大器121的反向输入端之间连接有电阻R1，运算放大器121的反向输入端与输出端之间连接有电阻R2，数模转换电路11的输出端与运算放大器121的正向输入端之间连接有电阻R3，参考电压产生电路的输出端与运算放大器121的正向输入端之间连接有电阻R4。

参考电压产生电路13设置有电压跟随器131，电压跟随器131接收基准电压，例如，基准电压为电源电压的一半，即VCC/2，基准电压通过电阻R5加载到电压跟随器的输入端，通常，电阻R5的阻值较大，例如阻值在1MΩ。另外，电压跟随器131还接收电路板接地的噪声信号，具体的，电路板接地与电压跟随器131之间连接有输入耦合电容22，电路板接地的噪声信号经过输入耦合电容22加载到电压跟随器131的输入端。由于电阻R5的阻值较大，从而确保电路板接地的噪声信号不能干扰影响到基准电压。这样，电压跟随器131向信号驱动电路12输出的参考电压信号包含了基准电压以及来自电路板接地的噪声信号。

参考电压产生电路13所输出的参考电压包含有信号驱动电路12所需的参考电压VREF，保证信号驱动电路12输出的驱动信号工作在直流偏置电压上，该直流偏置电压为基准电压，即VCC/2。由于信号驱动电路12输出的驱动信号的电压的直流偏置电压一般为VCC/2，如果将驱动信号直接加载到耳机23上，会在耳机23上产生直流损耗，效率降低的同时甚至损坏耳机23，因此需要用较大的输出耦合电容21隔断驱动信号上的直流偏置电压，输出耦合电容21的电容值可以是几十微法，这样，输出耦合电容21与耳机23上的电阻组成的高通滤波器，从而将驱动信号上的直流偏置电压过滤，避免直流偏置电压对耳机23的影响。另外，由于高通滤波器不会滤除较高频率的音频信号，确保耳机23播放的音频信号不会受到影响。

由于信号驱动电路12所接收到的参考电压为VREF包含有电路板接地的噪声信号，而在耳机23播放过程中的参考电压为电路板的接地GND，如果音频处理芯片所输出的驱动信号携带的噪声信号与电路板接地的噪声信号不相同，则耳机23在播放过程中就会有杂音，因此，本实施例通过将电路板接地的噪声信号通过输入耦合电容22输入至输入给参考电压产生电路13，从而形成噪声信号的反馈输入。

当数模转换电路11接收到数字音频信号后，经过对数字音频信号的转换后形成输出两路差分信号LP、LN并输出至运算放大器121，运算放大器121输出的驱动信号的电压HPOUT可以通过下面的公式计算获得：

为了更好的对驱动信号的电压进行控制，音频处理芯片内通常对四个电阻R1、R2、R3、R4的阻值进行调配，例如电阻R1的阻值与电阻R3的阻值相等，电阻R2的阻值与电阻R4的阻值相等，即R1＝R3，R2＝R4，则根据上面的公式，可以得到：

这样，驱动信号的电压HPOUT包含了经过增益放大的差分信号以及参考电压，而参考电压中的直流偏置电压经过输出耦合电容21时将被过滤掉，但同时携带与电路板接地GND相同的噪声信号，由于耳机23两端的噪声信号相同，因此两端的噪声信号相互抵消，从而解决耳机23被电路板接地的噪声信号所干扰的问题。

可见，本实施例通过简单的电路解决了耳机23受到电路板接地噪声干扰的问题，电路结构简单，不会大幅度增加音频处理芯片的生产成本，且能够大幅度改善耳机23播放音频的质量。

本发明的方案不限于应用在单声道耳机，对于多声道的应用场景，也可以采用本发明的方案实现，例如连接插座可以向具有多个不同声道的耳机输出模拟信号。另外，本发明的方案还可以适用于解决由于电路板的接地附近干扰信号所引起输出信号受到干扰的场景中。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，例如信号驱动电路内部结构的改变，或者电路板上所设置的输出电子器件的改变等，这些改变也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种模拟信号的板级噪声消除电路，包括：

设置于音频处理芯片的数模转换电路以及信号驱动电路，所述数模转换电路向所述信号驱动电路输出差分信号，所述信号驱动电路向设置于电路板的输出耦合电容输出信号；

其特征在于：

所述音频处理芯片内还设置有参考电压产生电路，所述参考电压产生电路接收基准电压，且所述参考电压产生电路还接收设置于所述电路板的输入耦合电容所输出的信号，所述参考电压产生电路向所述信号驱动电路输出参考电压。

2.根据权利要求1所述的模拟信号的板级噪声消除电路，其特征在于：

所述电路板上设置有连接插座，所述连接插座的两端分别连接至所述输入耦合电容与所述输出耦合电容。

3.根据权利要求2所述的模拟信号的板级噪声消除电路，其特征在于：

所述输入耦合电容的第一端与所述参考电压产生电路连接，所述输入耦合电容的第二端连接至所述连接插座。

4.根据权利要求2所述的模拟信号的板级噪声消除电路，其特征在于：

所述连接插座可与音频输出器件电连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的模拟信号的板级噪声消除电路，其特征在于：

所述参考电压产生电路包括一个电压跟随器，所述电压跟随器的输入端接收所述基准电压与所述输入耦合电容输出的信号，所述电压跟随器向所述信号驱动电路输出所述参考电压。

6.根据权利要求1至4任一项所述的模拟信号的板级噪声消除电路，其特征在于：

所述信号驱动电路包括一个单端输出的运算放大器，所述运算放大器接收所述数模转换电路输出的差分信号，所述参考电压产生电路输出的所述参考电压输入至所述运算放大器的一个输入端。

7.根据权利要求6所述的模拟信号的板级噪声消除电路，其特征在于：

所述数模转换电路的输出端与所述运算放大器的反向输入端之间连接有第一电阻，所述运算放大器的输出端与所述反向输入端之间连接有第二电阻；

所述数模转换电路的输出端与所述运算放大器的正向输入端之间连接有第三电阻，所述参考电压产生电路的输出端与所述正向输入端之间连接有第四电阻。

8.根据权利要求7所述的模拟信号的板级噪声消除电路，其特征在于：

所述第一电阻的阻值与所述第三电阻的阻值相等；

所述第二电阻的阻值与所述第四电阻的阻值相等。

9.音频输出设备，包括：

电路板，所述电路板上设置有音频处理芯片；

其特征在于，所述电路板上还设置有如权利要求1至8任一项所述的模拟信号的板级噪声消除电路。

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