高質(zhì)量便攜式音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐
[導(dǎo)讀]本文提供了一些與包含有音頻回放和/或錄音功能的任何便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的完美系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 PCB 板布局的各種建議。
在當(dāng)前功能整合的便攜式多媒體設(shè)備中，日益變小的系統(tǒng)集成了越來(lái)越多的功能。音頻是市場(chǎng)上任何具有多媒體功能的系統(tǒng)中最基本的功能，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常更關(guān)注便攜式多媒體設(shè)備 “吸引人眼球”的特性，如無(wú)線(xiàn)連接、視頻處理、圖像捕獲以及顯示等。因此，在眾多的“重要”組件之間，哪里有一點(diǎn)空間，就把音頻電路擠身到哪里，從而導(dǎo)致音頻質(zhì)量非常一般乃至低劣。然而，只要稍加注意，就能將完美的音頻質(zhì)量與用戶(hù)所要求的其它眾多性能一起被無(wú)縫集成到系統(tǒng)中。本文提供了一些與包含有音頻回放和/或錄音功能的任何便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的完美系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 PCB 板布局的各種建議。
在便攜式音頻系統(tǒng)中存在許多引起劣質(zhì)音頻的原因，不過(guò)本文主要講述模擬音頻信號(hào)上的噪聲源對(duì)音質(zhì)的影響。不管是平坦噪聲（白噪聲）還是音調(diào)的非諧波噪聲都會(huì)引起最終用戶(hù)的煩感。通常我們聽(tīng)到的“背景嘶嘶作響”就是白噪聲，當(dāng)撫靜音頻 (quite audio) 通過(guò)時(shí)這種噪聲非常明顯，而音調(diào)噪聲會(huì)根據(jù)頻率的不同而表現(xiàn)為“嗡嗡聲”，“哼哼聲”或“嗚嗚聲”。音頻信號(hào)中不必要的噪聲干擾可以通過(guò)完美的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 PCB 板布局加以避免。
大多數(shù)便攜式音頻系統(tǒng)都采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 或編解碼器芯片將數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。因此音頻編解碼器或 DAC 周?chē)牟季址浅Ｖ匾?
編解碼器或 DAC 均為在同一芯片中同時(shí)包含有模擬和數(shù)字電路。這樣，就有多個(gè)電源引腳用于提供模擬和數(shù)字電源，一般標(biāo)記為 AVDD 和 DVDD；而其他模擬電源引腳則標(biāo)記為 HPVDD、DRVDD、SPKVDD 以及 PVDD。這些電源引腳之所以要分開(kāi)是因?yàn)閿?shù)字電路的高速開(kāi)關(guān)電流會(huì)產(chǎn)生非常大的噪聲，而模擬電路對(duì)電源噪聲又非常敏感。音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電路板布局非常重的一點(diǎn)是：必須為模擬電源引腳提供紋波和瞬變都非常小的“清潔”電源。在模擬電源引腳上的任何噪聲都會(huì)以不同的方式影響音頻輸入或輸出信號(hào)的質(zhì)量。
在便攜式音頻系統(tǒng)中，主電源通常采用電池供電。由于系統(tǒng)其它部件（包括無(wú)線(xiàn)收發(fā)器、存儲(chǔ)器和顯示器等）造成的瞬態(tài)變化，使得電池的噪聲非常大。因此在給音頻編解碼器或 DAC 以及其它音頻信號(hào)路徑上的器件（如放大器等）提供模擬電源時(shí)，最好不要直接使用電池電壓，而是使用具有良好電源紋波抑制比 (PSRR) 和低輸出噪聲的低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)。這樣可確保模擬電路有“清潔”的工作電源。需要仔細(xì)選擇 LDO，以確保其額定電流能足以滿(mǎn)足所供電電路的需求。在模擬電源端去耦電容器的正確使用也很重要。大的去耦電容器（10μF 或以上）非常適合電源電壓濾波。數(shù)值較小的去耦電容器（1μF或以下）在提供IC所需的快速瞬變電流時(shí)也是必需的。去耦電容器應(yīng)盡可能靠近模擬電源引腳放置，并在電容器和電源以及接地的連接中盡可能避免 PCB 過(guò)孔。相對(duì)于比較大的電容器來(lái)說(shuō)，較小的去耦電容器要更靠近 IC 引腳擺放，因?yàn)榇?lián)電阻對(duì)較小電容器的響應(yīng)時(shí)間影響較為顯著。
極佳的設(shè)計(jì)實(shí)踐
便攜式音頻系統(tǒng)中另一個(gè)干擾信號(hào)質(zhì)量的噪聲源是耦合進(jìn)模擬輸入和輸出信號(hào)的噪聲。噪聲耦合機(jī)制可以是感性或容性的，但極佳的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 PCB 布局可以最小化噪聲耦合。實(shí)現(xiàn)極佳噪聲抗擾度的方法之一就是在模擬音頻信號(hào)路徑中盡可能使用差分信號(hào)。用于差分信號(hào)的 PCB 線(xiàn)跡應(yīng)成對(duì)平行布線(xiàn)并確保阻抗匹配，這樣任何噪聲都會(huì)等量地耦合進(jìn)差分信號(hào)路徑的兩側(cè)（即“共?！毙盘?hào)）。差分電路具有的共模抑制特性，可很好地抑制任何耦合進(jìn)來(lái)的噪聲，從而有效減弱可聽(tīng)到的噪聲。雖然在許多情況下不能使用差分信號(hào)，但這的確是一種非常有用的手段。
另外一個(gè)很好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐是：讓 PCB 板上的易受噪聲耦合影響的信號(hào)使用盡可能高的信號(hào)電平?？梢约僭O(shè)耦合噪聲的幅度不會(huì)隨著發(fā)送信號(hào)電平的增加而增加。因此，如果噪聲電平是恒定的，當(dāng)信號(hào)電平增加時(shí)信噪比 (SNR) 就會(huì)增加。SNR 越高代表音頻系統(tǒng)的性能就越高。低電平信號(hào)穿越 PCB 時(shí)，必須要施加一定的增益，這樣不但提高了噪聲和信號(hào)電平，而且最終降低了整個(gè)系統(tǒng)的 SNR。最好的方法是在靠近信號(hào)源處對(duì)低電平信號(hào)進(jìn)行放大。
圖 1： 在方案 A 中，信號(hào)在靠近麥克風(fēng)、線(xiàn)跡穿越 (travel across) PCB 板和耦合到噪聲之前得到放大，系統(tǒng)信噪比 (SNR) 為 60dB；而在方案 B 中，信號(hào)在線(xiàn)跡穿越 PCB 和耦合到噪聲之后才得到放大，因此系統(tǒng)的 SNR 僅為 28dB。
圖 1 給出了采用這種方法的一個(gè)例子。麥克風(fēng)產(chǎn)生的 25mVp-p 信號(hào)A (t) 必須穿越 PCB，并被放大到 1Vp-p 以進(jìn)行進(jìn)一步處理。紅色框表示穿越 PCB 的線(xiàn)跡，它會(huì)受耦合噪聲的影響，用信號(hào) E(t) 表示。在方案 A 中，信號(hào)在靠近麥克風(fēng)、線(xiàn)跡穿越 PCB 板和耦合到噪聲之前得到放大，系統(tǒng)的 SNR 為60dB；而在方案B中，信號(hào)在線(xiàn)跡穿越 PCB 和耦合到噪聲之后才得到放大，系統(tǒng)的 SNR 僅為 28dB。因此極佳的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)顯著的性能提高。
對(duì)由于系統(tǒng)成本或尺寸限制而不能靠近源端放大的信號(hào)來(lái)說(shuō)，盡可能縮短 PCB 線(xiàn)跡長(zhǎng)度非常重要。短的 PCB 線(xiàn)跡不太容易受到容性和電感性耦合噪聲的影響。
在內(nèi)置麥克風(fēng)的系統(tǒng)中需要仔細(xì)設(shè)計(jì)的最后一種信號(hào)是麥克風(fēng)偏置電路。在便攜式音頻系統(tǒng)中使用的大多數(shù)駐極體麥克風(fēng) (ECM) 都需要 2～3V 的偏置電壓。通常偏置電壓是由遠(yuǎn)離麥克風(fēng)的芯片提供的。在這種情況下，偏置電壓會(huì)在到達(dá)麥克風(fēng)的途中拾取到噪聲。這種噪聲會(huì)直接耦合到麥克風(fēng)的輸出中。對(duì)此，極佳的設(shè)計(jì)實(shí)踐是在靠近麥克風(fēng)處用電阻和電容對(duì)偏置電壓進(jìn)行濾波。圖
2 就是一款典型的麥克風(fēng)電路設(shè)計(jì)，其采用了“偽差分”連接和 RC 濾波器來(lái)衰減偏置電壓帶來(lái)的噪聲。
圖 2 用電阻和電容對(duì)靠近麥克風(fēng)的偏置電壓進(jìn)行濾波是一種很好的設(shè)計(jì)實(shí)踐
所有的音頻系統(tǒng)都需要某種類(lèi)型的變送器才能使用戶(hù)聽(tīng)到產(chǎn)生的音頻。大多數(shù)系統(tǒng)都有耳機(jī)輸出。一些系統(tǒng)含有內(nèi)置揚(yáng)聲器，或驅(qū)動(dòng)外部揚(yáng)聲器的輸出電路。因?yàn)槎鷻C(jī)（大于 16 Ω）和揚(yáng)聲器（大于 4 Ω）需要大功率信號(hào)，因此將與這些變送器相關(guān)的電路線(xiàn)跡的阻抗最小化至關(guān)重要。如果 PCB 線(xiàn)跡有不必要的高阻抗，功率就會(huì)損失在 PCB 線(xiàn)跡上，無(wú)法送達(dá)變送器。這會(huì)導(dǎo)致音頻質(zhì)量的下降、電池使用壽命縮短以及系統(tǒng)中不必要的發(fā)熱。盡量使揚(yáng)聲器和耳機(jī)的電路線(xiàn)跡更寬更短不但可以降低這種阻抗，而且還可以降低由此帶來(lái)的負(fù)面影響。
表 1 在低成本、低功耗便攜式音頻系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻
在便攜式音頻系統(tǒng)中存在許多引起劣質(zhì)音頻的原因，不過(guò)本文主要講述模擬音頻信號(hào)上的噪聲源對(duì)音質(zhì)的影響。不管是平坦噪聲（白噪聲）還是音調(diào)的非諧波噪聲都會(huì)引起最終用戶(hù)的煩感。通常我們聽(tīng)到的“背景嘶嘶作響”就是白噪聲，當(dāng)撫靜音頻 (quite audio) 通過(guò)時(shí)這種噪聲非常明顯，而音調(diào)噪聲會(huì)根據(jù)頻率的不同而表現(xiàn)為“嗡嗡聲”，“哼哼聲”或“嗚嗚聲”。音頻信號(hào)中不必要的噪聲干擾可以通過(guò)完美的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 PCB 板布局加以避免。
大多數(shù)便攜式音頻系統(tǒng)都采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 或編解碼器芯片將數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。因此音頻編解碼器或 DAC 周?chē)牟季址浅Ｖ匾?
編解碼器或 DAC 均為在同一芯片中同時(shí)包含有模擬和數(shù)字電路。這樣，就有多個(gè)電源引腳用于提供模擬和數(shù)字電源，一般標(biāo)記為 AVDD 和 DVDD；而其他模擬電源引腳則標(biāo)記為 HPVDD、DRVDD、SPKVDD 以及 PVDD。這些電源引腳之所以要分開(kāi)是因?yàn)閿?shù)字電路的高速開(kāi)關(guān)電流會(huì)產(chǎn)生非常大的噪聲，而模擬電路對(duì)電源噪聲又非常敏感。音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電路板布局非常重的一點(diǎn)是：必須為模擬電源引腳提供紋波和瞬變都非常小的“清潔”電源。在模擬電源引腳上的任何噪聲都會(huì)以不同的方式影響音頻輸入或輸出信號(hào)的質(zhì)量。
在便攜式音頻系統(tǒng)中，主電源通常采用電池供電。由于系統(tǒng)其它部件（包括無(wú)線(xiàn)收發(fā)器、存儲(chǔ)器和顯示器等）造成的瞬態(tài)變化，使得電池的噪聲非常大。因此在給音頻編解碼器或 DAC 以及其它音頻信號(hào)路徑上的器件（如放大器等）提供模擬電源時(shí)，最好不要直接使用電池電壓，而是使用具有良好電源紋波抑制比 (PSRR) 和低輸出噪聲的低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)。這樣可確保模擬電路有“清潔”的工作電源。需要仔細(xì)選擇 LDO，以確保其額定電流能足以滿(mǎn)足所供電電路的需求。在模擬電源端去耦電容器的正確使用也很重要。大的去耦電容器（10μF 或以上）非常適合電源電壓濾波。數(shù)值較小的去耦電容器（1μF或以下）在提供IC所需的快速瞬變電流時(shí)也是必需的。去耦電容器應(yīng)盡可能靠近模擬電源引腳放置，并在電容器和電源以及接地的連接中盡可能避免 PCB 過(guò)孔。相對(duì)于比較大的電容器來(lái)說(shuō)，較小的去耦電容器要更靠近 IC 引腳擺放，因?yàn)榇?lián)電阻對(duì)較小電容器的響應(yīng)時(shí)間影響較為顯著。
極佳的設(shè)計(jì)實(shí)踐
便攜式音頻系統(tǒng)中另一個(gè)干擾信號(hào)質(zhì)量的噪聲源是耦合進(jìn)模擬輸入和輸出信號(hào)的噪聲。噪聲耦合機(jī)制可以是感性或容性的，但極佳的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 PCB 布局可以最小化噪聲耦合。實(shí)現(xiàn)極佳噪聲抗擾度的方法之一就是在模擬音頻信號(hào)路徑中盡可能使用差分信號(hào)。用于差分信號(hào)的 PCB 線(xiàn)跡應(yīng)成對(duì)平行布線(xiàn)并確保阻抗匹配，這樣任何噪聲都會(huì)等量地耦合進(jìn)差分信號(hào)路徑的兩側(cè)（即“共?！毙盘?hào)）。差分電路具有的共模抑制特性，可很好地抑制任何耦合進(jìn)來(lái)的噪聲，從而有效減弱可聽(tīng)到的噪聲。雖然在許多情況下不能使用差分信號(hào)，但這的確是一種非常有用的手段。
另外一個(gè)很好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐是：讓 PCB 板上的易受噪聲耦合影響的信號(hào)使用盡可能高的信號(hào)電平?？梢约僭O(shè)耦合噪聲的幅度不會(huì)隨著發(fā)送信號(hào)電平的增加而增加。因此，如果噪聲電平是恒定的，當(dāng)信號(hào)電平增加時(shí)信噪比 (SNR) 就會(huì)增加。SNR 越高代表音頻系統(tǒng)的性能就越高。低電平信號(hào)穿越 PCB 時(shí)，必須要施加一定的增益，這樣不但提高了噪聲和信號(hào)電平，而且最終降低了整個(gè)系統(tǒng)的 SNR。最好的方法是在靠近信號(hào)源處對(duì)低電平信號(hào)進(jìn)行放大。
圖 1： 在方案 A 中，信號(hào)在靠近麥克風(fēng)、線(xiàn)跡穿越 (travel across) PCB 板和耦合到噪聲之前得到放大，系統(tǒng)信噪比 (SNR) 為 60dB；而在方案 B 中，信號(hào)在線(xiàn)跡穿越 PCB 和耦合到噪聲之后才得到放大，因此系統(tǒng)的 SNR 僅為 28dB。
圖 1 給出了采用這種方法的一個(gè)例子。麥克風(fēng)產(chǎn)生的 25mVp-p 信號(hào)A (t) 必須穿越 PCB，并被放大到 1Vp-p 以進(jìn)行進(jìn)一步處理。紅色框表示穿越 PCB 的線(xiàn)跡，它會(huì)受耦合噪聲的影響，用信號(hào) E(t) 表示。在方案 A 中，信號(hào)在靠近麥克風(fēng)、線(xiàn)跡穿越 PCB 板和耦合到噪聲之前得到放大，系統(tǒng)的 SNR 為60dB；而在方案B中，信號(hào)在線(xiàn)跡穿越 PCB 和耦合到噪聲之后才得到放大，系統(tǒng)的 SNR 僅為 28dB。因此極佳的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)顯著的性能提高。
對(duì)由于系統(tǒng)成本或尺寸限制而不能靠近源端放大的信號(hào)來(lái)說(shuō)，盡可能縮短 PCB 線(xiàn)跡長(zhǎng)度非常重要。短的 PCB 線(xiàn)跡不太容易受到容性和電感性耦合噪聲的影響。
在內(nèi)置麥克風(fēng)的系統(tǒng)中需要仔細(xì)設(shè)計(jì)的最后一種信號(hào)是麥克風(fēng)偏置電路。在便攜式音頻系統(tǒng)中使用的大多數(shù)駐極體麥克風(fēng) (ECM) 都需要 2～3V 的偏置電壓。通常偏置電壓是由遠(yuǎn)離麥克風(fēng)的芯片提供的。在這種情況下，偏置電壓會(huì)在到達(dá)麥克風(fēng)的途中拾取到噪聲。這種噪聲會(huì)直接耦合到麥克風(fēng)的輸出中。對(duì)此，極佳的設(shè)計(jì)實(shí)踐是在靠近麥克風(fēng)處用電阻和電容對(duì)偏置電壓進(jìn)行濾波。圖
2 就是一款典型的麥克風(fēng)電路設(shè)計(jì)，其采用了“偽差分”連接和 RC 濾波器來(lái)衰減偏置電壓帶來(lái)的噪聲。
圖 2 用電阻和電容對(duì)靠近麥克風(fēng)的偏置電壓進(jìn)行濾波是一種很好的設(shè)計(jì)實(shí)踐
所有的音頻系統(tǒng)都需要某種類(lèi)型的變送器才能使用戶(hù)聽(tīng)到產(chǎn)生的音頻。大多數(shù)系統(tǒng)都有耳機(jī)輸出。一些系統(tǒng)含有內(nèi)置揚(yáng)聲器，或驅(qū)動(dòng)外部揚(yáng)聲器的輸出電路。因?yàn)槎鷻C(jī)（大于 16 Ω）和揚(yáng)聲器（大于 4 Ω）需要大功率信號(hào)，因此將與這些變送器相關(guān)的電路線(xiàn)跡的阻抗最小化至關(guān)重要。如果 PCB 線(xiàn)跡有不必要的高阻抗，功率就會(huì)損失在 PCB 線(xiàn)跡上，無(wú)法送達(dá)變送器。這會(huì)導(dǎo)致音頻質(zhì)量的下降、電池使用壽命縮短以及系統(tǒng)中不必要的發(fā)熱。盡量使揚(yáng)聲器和耳機(jī)的電路線(xiàn)跡更寬更短不但可以降低這種阻抗，而且還可以降低由此帶來(lái)的負(fù)面影響。
表 1 在低成本、低功耗便攜式音頻系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻
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