Rauschunterdrückung für Audiosysteme

Zwei neue analoge Rauschunterdrückungs-ICs von Austriamicrosystems unterdrücken störende Umweltgeräusche in Kopfhörern beliebiger Bauart bei geringer Leistungsaufnahme. Aufgrund des hohen Integrationsgrades kann die bisher erforderliche Kalibrierung über Potentiometer entfallen.

Mit dem AS3501 für die Feedforward-Rauschunterdrückung und dem AS3502 für die aktive Feedback-Rauschunterdrückung, bei denen sich das Mikrofon nahe am Lautsprecher befindet, hat Austriamicrosystems zwei ICs für die aktive Rauschunterdrückung in Kopfhörern entwickelt. Beide arbeiten mit 1,0 - 1,8 V und bieten True-Ground-Kopfhörerverstärkerstufen sowie flexible Rauschunterdrückungsarchitekturen.

Die Kopfhörer, die die Musik von MP3-Playern und in Handys eingebaute MP3-Player wiedergeben, lassen sich in zwei Klassen unterteilen:

• Die Muscheln der ersten Bauform umschließen die Ohren oder die Lautsprecher sitzen im Ohrkanal, das Mikrofon sitzt in der Nähe des Ohrs und misst dort den Umgebungs-Rauschpegel. Hier kommt der Feedforward-Typ AS3501 zum Einsatz.

• Die zweite Möglichkeit: Viele Rauschunterdrückungs-Kopfhörer umschließen das Ohr und haben das Mikrofon auf der Kopfhörer-Innenseite. Auch ist es möglich, kleine Lautsprecher direkt in den Ohrgang zu stecken. Dort sitzt das Mikrofon auf der Innenseite der Kopfhörer, befindet sich also im Ohrkanal. Damit lässt sich das Rauschen unterdrücken und die Musik korrigieren. Für diese Anwendung eignet sich der Feedback-Typ AS3502.

»Wir haben uns die verschiedenen Kopfhörer, die derzeit am Markt erhältlich sind, genau angeschaut und analysiert, wo ihre Schwächen liegen«, sagt Mario Manninger, Director Engineering der Communications Business Unit von Austriamicrosystems.

Heute bauen die Hersteller die Schaltung für die Rauschunterdrückung in Kopfhörern meist aus diskreten Komponenten auf. Austriamicrosystems hat nun alle Kernfunktionen auf einem einzigen analogen Chip integriert. Deshalb sinken die Gesamtkosten aller Komponenten im System um mindestens 60 Prozent, und der Platzbedarf auf der Leiterplatte reduziert sich um 50 Prozent. Das liegt vor allem daran, dass die Potentiometer wegfallen, die nicht nur an sich teuer sind: Weil die Mikrofone in ihren Werten sehr stark streuen, müssen die Potis jeweils von Hand abgeglichen werden, was zusätzlich Zeit und Geld kostet.

Über das zum Patent angemeldete Kalibrierungsverfahren von Austriamicrosystems lassen sich die ICs digital ansteuern, die Regelschleife wird über den PC geschlossen und die Parameter in einem integrierten OTP abgelegt. Im Gegensatz zu den Potis, die sich bei grober Behandlung der Kopfhörer auch mal verstellen können, ändern sich die in den OTPs abgelegten Parameter über die Lebenszeit der Kopfhörer nicht.

Vom Kunden anpassbare Register-Einstellungen ermöglichen unterschiedliche Konfigurationen. So lassen sich über die Register die ICs an die verschiedenen Bauformen der Kopfhörer anpassen. Außerdem verfügen die ICs über eine Monitor-Funktion: Will der Nutzer die Umgebungsgeräusche doch hören, ohne die Kopfhörer abnehmen zu müssen, drückt er einfach auf den Monitor-Knopf: Dann kann er mit anderen kommunizieren oder etwa Straßengeräusche wahrnehmen. Über die Register stellt der Entwickler der Geräte ein, ob die Außengeräusche normal, lauter oder gedämpft sein sollen.

Austriamicrosystems hat sich bewusst dafür entschieden, die in einem 0,35-µm-CMOS-Prozess gefertigten ICs analog aufzubauen. »Bei der Signalverarbeitung in der digitalen Domäne besteht die Gefahr, zusätzliches Rauschen in den Signalpfad zu bringen, etwa durch das unumgängliche Quantisierungsrauschen der A/D-Wandler«, sagt Mario Manninger. Damit konnte das Unternehmen gleich drei Fliegen mit einer Klappe schlagen: »Die Leistungsaufnahme reduziert sich gegenüber dem digitalen Ansatz – und erst recht gegenüber diskret aufgebauten Systemen. Wir konnten einen Rausch-Signal-Abstand von über 100 dB erreichen und einen Gesamtklirrfaktor unter 0,1 Prozent. Das bedeutet, dass wir auch bei sehr geringer Lautstärke kaum störendes Rauschen erzeugen.

Bei diskret aufgebauten oder bei digitalen Rauschunterdrückungen ist das kaum zu vermeiden: Das durch die Schaltung selbst hervorgerufene künstliche Rauschen überwiegt den Effekt der Rauschunterdrückung bei geringer Lautstärke. Und drittens konnten wir zusätzlich die Kalibrierungsfunktionen auf dem Chip integrieren.«

Der AS3501 sitzt in einem 24-poligen QFN-Gehäuse (4 mm x 4 mm), der AS3502 in einem 32-poligen, 5 mm x 5 mm großen QFN-Gehäuse.