原创 手机耳机放大器的信噪比要求

作者：飞兆半导体高级市场推广经理 Greg Davis

手机正在从最初的语音通信工具不断演进为更复杂完善的系统性娱乐设备。随着智能手机的面市，用户可以享受到丰富的便携式功能，如集成式 MP3 播放器、视频播放、视频摄像机和静态图像相机、蓝牙，以及GPS等等，而且所有这些功能都带有一个触摸屏接口。此外，真正的多任务操作系统也随看似无限的 应用而推出，从而催生出一种功能强大的手持式设备。智能手机的确是彰显工程创新如何改变人们生活的一个鲜明示例。

除了这种功能性之外，智能手机用户还期望拥有很高的性能。本文将探讨手机性能的一个关键方面，即手机音频播放，特别是MP3 播放器到耳机的音频输出。

音频中包含有用的内容和无用的内容。有用的音频内容为音乐或电影信号；无用的内容为电源噪声、谐波失真、串扰和数据压缩等，会破坏收听体验。音乐内容本身也可能带有噪声，若不认真设计，主要的噪声源可能是音频IC耳机放大器和放大器周围的系统。

在放大器噪声方面，关键参数是信噪比(SNR)。SNR越高，音频质量就越好；反之，SNR低，输出信号就比较嘈杂。让我们首先定义SNR。每一个音频输 出都有一个“噪声基底”，即系统和音频IC的固有噪声。正如IC设计优化，电路板版图优化也有助于减小噪声基底。其目的是保持噪声基底(无用内容)和音乐 信号(有用内容) 的振幅之间的差距尽可能大。在乐曲与乐曲间的静默阶段，或者是在播放动态范围很大(即音乐中高昂和轻柔片段间的落差较大，如古典音乐的情况)的内容时，噪 声最明显。

SNR是有用内容与无用内容的比率。由于噪声基底和有用信号的振幅差异极大，为便于分析，这个比率公式采用对数形式表示。

 
这里，P_signal为有用信号(音乐)的平均功率，P_noise为噪声基底的平均功率。若采用电压表示，则为：

这里，A为信号的均方根(RMS)电压值。

其中, A为电压的均方根值。

在音频IC设计中，常常为Asignal提供有一个参考值。在总谐波失真+ 噪声 (THD+N) 为1%，放大器为32Ω负载电阻提供1KHz正弦波信号的情况下的最大输出电平即为上述参考值。但是，在有些制造厂商规格中，为了人为提升SNR参 数，Asignal参考值被设置为放大器在空载条件下或THD+N较大情况下的最大输出电平。

所有IC放大器都有一个依赖于其设计和布板的相关SNR。在用户使用手机听音乐、看电影时，这些放大器为外部耳机供电。考虑到组成媒体的数据已经高度压缩 (通常为MP3、AVI或 MOV格式)，为什么会要求耳机放大器的SNR大于 100dB，这甚至超过了CD播放器的SNR理论上限值96dB。

首先，数据压缩和噪声是导致音频质量下降的两个截然不同的成分。数据压缩基于有损算法（lossy algorithm），该算法通过清除或屏蔽内容中人耳不容易听见的部分来减小文件的大小。因此，数据被压缩后是不能恢复丢失内容的。此外，原始记录中本 身带有的噪声也是无法减小的。不过，在手机设计中增加的噪声，如耳机放大器IC造成的噪声，则是可以减小的。

放大器的SNR规格是在实验室中测得，其分子(Asignal)的值是固定的。需注意的一个重要问题是，这不是针对典型的听力水平。例如，许多IC耳机放 大器能够为32Ω的负载电阻提供超过30mW的功率。如果调大音量，甚至可以在房间另一头听到耳机的声音！而实际上，由于耳机插入耳道，与耳膜紧密耦合， 对32Ω负载电阻，0.1mW – 0.5mW的输出功率即可获得合理的音量水平，具体取决于耳机的效率。这仅仅是整个输出功率的一小部分。由于SNR是信号与噪声的比率，而且噪声基底是不 变的，利用这些实际的听力水平可降低听者的‘视在(apparent)’SNR。

举例说明，某个放大器105dB SNR规格，Asignal 1KHz音频，30mWRMS 功率，32Ω 负载电阻，1% THD+N。 首先把 30mW_RMS 转换为 V_RMS:

P_RMS = (V_RMS)²/R
或 V_RMS = sqrt(P_RMS x R) = sqrt(.03W_RMS x 32Ω) = .979 V_RMS

现在我们可以利用下式来计算Anoise：

所以105dB = 20log10 (.979V_RMS /Anoise_RMS)
或
inv-log10 (105dB/20) = .979V_RMS / Anoise_RMS
故 Anoise = 5.5μV_RMS

或者，可以计算如下：
105dB/20 = log10 (.979V_RMS /Anoise)
或
10^105dB/20 = .979 V_RMS /Anoise_RMS
或
Anoise = .979 V_RMS / 10^105dB/20 = 5.5μV_RMS

至此，我们已知道了噪声基底Anoise。在相同的条件下，对于0.1mW_RMS的典型音量水平，利用同一个放大器，我们可以确定SNR。再一次运用下式：

首先把0.1W_RMS 转换为V_RMS:

P_RMS = (V_RMS)²/R
或 V_RMS = sqrt(P_RMS x R) = sqrt(.001W_RMS x 32Ω) = .179V_RMS

现在计算新的SNR：

SNRdB = 20log10(.179V_RMS /5.5μV_RMS) = 90.24dB。注意，在典型音量水平，这大约低了15dB。

SNR测量结果是衡量音频放大器质量的关键指标。若用户期望其手机音频质量和MP3播放器上的一样，就必须特别关注这一主要参数。