高質(zhì)量便攜式音頻系統(tǒng)的設(shè)計實踐
[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)計相關(guān)的完美系統(tǒng)設(shè)計和 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)集成了越來越多的功能。音頻是市場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，如無線連接、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)量與用戶所要求的其它眾多性能一起被無縫集成到系統(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)計相關(guān)的完美系統(tǒng)設(shè)計和 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，不過本文主要講述模擬音頻信號上的噪聲源對音質(zhì)的影響。不管是平坦噪聲（白噪聲）還是音調(diào)的非諧波噪聲都會引起最終用戶的煩感。通常我們聽到的“背景嘶嘶作響”就是白噪聲，當(dāng)撫靜音頻 (quite audio) 通過時這種噪聲非常明顯，而音調(diào)噪聲會根據(jù)頻率的不同而表現(xiàn)為“嗡嗡聲”，“哼哼聲”或“嗚嗚聲”。音頻信號中不必要的噪聲干擾可以通過完美的系統(tǒng)設(shè)計和 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。因此音頻編解碼器或 DAC 周圍的布局非常重要。
編解碼器或 DAC 均為在同一芯片中同時包含有模擬和數(shù)字電路。這樣，就有多個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是因為數(shù)字電路的高速開關(guān)電流會產(chǎn)生非常大的噪聲，而模擬電路對電源噪聲又非常敏感。音頻系統(tǒng)設(shè)計和電路板布局非常重的一點是：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以不同的方式影響音頻輸入或輸出信號的質(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（包括無線收發(fā)器、存儲器和顯示器等）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 以及其它音頻信號路徑上的器件（如放大器等）提供模擬電源時，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 過孔。相對于比較大的電容器來說，較小的去耦電容器要更靠近 IC 引腳擺放，因為串聯(lián)電阻對較小電容器的響應(yīng)時間影響較為顯著。
極佳的設(shè)計實踐
便攜式音頻系統(tǒng)中另一個干擾信號質(zhì)量的噪聲源是耦合進(jìn)模擬輸入和輸出信號的噪聲。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)計和 PCB 布局可以最小化噪聲耦合。實現(xiàn)極佳噪聲抗擾度的方法之一就是在模擬音頻信號路徑中盡可能使用差分信號。用于差分信號的 PCB 線跡應(yīng)成對平行布線并確保阻抗匹配，這樣任何噪聲都會等量地耦合進(jìn)差分信號路徑的兩側(cè)（即“共?！毙盘枺２罘蛛娐肪哂械墓材Ｒ种铺匦?，可很好地抑制任何耦合進(jìn)來的噪聲，從而有效減弱可聽到的噪聲。雖然在許多情況下不能使用差分信號，但這的確是一種非常有用的手段。
另外一個很好的系統(tǒng)設(shè)計實踐是：讓 PCB 板上的易受噪聲耦合影響的信號使用盡可能高的信號電平?？梢约僭O(shè)耦合噪聲的幅度不會隨著發(fā)送信號電平的增加而增加。因此，如果噪聲電平是恒定的，當(dāng)信號電平增加時信噪比 (SNR) 就會增加。SNR 越高代表音頻系統(tǒng)的性能就越高。低電平信號穿越 PCB 時，必須要施加一定的增益，這樣不但提高了噪聲和信號電平，而且最終降低了整個系統(tǒng)的 SNR。最好的方法是在靠近信號源處對低電平信號進(jìn)行放大。
圖 1： 在方案 A 中，信號在靠近麥克風(fēng)、線跡穿越 (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，信號在線跡穿越 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例子。麥克風(fēng)產(chǎn)生的 25mVp-p 信號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 的線跡，它會受耦合噪聲的影響，用信號 E(t) 表示。在方案 A 中，信號在靠近麥克風(fēng)、線跡穿越 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，信號在線跡穿越 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)計可以實現(xiàn)顯著的性能提高。
對由于系統(tǒng)成本或尺寸限制而不能靠近源端放大的信號來說，盡可能縮短 PCB 線跡長度非常重要。短的 PCB 線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)計的最后一種信號是麥克風(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，偏置電壓會在到達(dá)麥克風(fēng)的途中拾取到噪聲。這種噪聲會直接耦合到麥克風(fēng)的輸出中。對此，極佳的設(shè)計實踐是在靠近麥克風(fēng)處用電阻和電容對偏置電壓進(jìn)行濾波。圖
2 就是一款典型的麥克風(fēng)電路設(shè)計，其采用了“偽差分”連接和 RC 濾波器來衰減偏置電壓帶來的噪聲。
圖 2 用電阻和電容對靠近麥克風(fēng)的偏置電壓進(jìn)行濾波是一種很好的設(shè)計實踐
所有的音頻系統(tǒng)都需要某種類型的變送器才能使用戶聽到產(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)置揚聲器，或驅(qū)動外部揚聲器的輸出電路。因為耳機(jī)（大于 16 Ω）和揚聲器（大于 4 Ω）需要大功率信號，因此將與這些變送器相關(guān)的電路線跡的阻抗最小化至關(guān)重要。如果 PCB 線跡有不必要的高阻抗，功率就會損失在 PCB 線跡上，無法送達(dá)變送器。這會導(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。盡量使揚聲器和耳機(jī)的電路線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，不過本文主要講述模擬音頻信號上的噪聲源對音質(zhì)的影響。不管是平坦噪聲（白噪聲）還是音調(diào)的非諧波噪聲都會引起最終用戶的煩感。通常我們聽到的“背景嘶嘶作響”就是白噪聲，當(dāng)撫靜音頻 (quite audio) 通過時這種噪聲非常明顯，而音調(diào)噪聲會根據(jù)頻率的不同而表現(xiàn)為“嗡嗡聲”，“哼哼聲”或“嗚嗚聲”。音頻信號中不必要的噪聲干擾可以通過完美的系統(tǒng)設(shè)計和 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。因此音頻編解碼器或 DAC 周圍的布局非常重要。
編解碼器或 DAC 均為在同一芯片中同時包含有模擬和數(shù)字電路。這樣，就有多個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是因為數(shù)字電路的高速開關(guān)電流會產(chǎn)生非常大的噪聲，而模擬電路對電源噪聲又非常敏感。音頻系統(tǒng)設(shè)計和電路板布局非常重的一點是：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以不同的方式影響音頻輸入或輸出信號的質(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（包括無線收發(fā)器、存儲器和顯示器等）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 以及其它音頻信號路徑上的器件（如放大器等）提供模擬電源時，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 過孔。相對于比較大的電容器來說，較小的去耦電容器要更靠近 IC 引腳擺放，因為串聯(lián)電阻對較小電容器的響應(yīng)時間影響較為顯著。
極佳的設(shè)計實踐
便攜式音頻系統(tǒng)中另一個干擾信號質(zhì)量的噪聲源是耦合進(jìn)模擬輸入和輸出信號的噪聲。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)計和 PCB 布局可以最小化噪聲耦合。實現(xiàn)極佳噪聲抗擾度的方法之一就是在模擬音頻信號路徑中盡可能使用差分信號。用于差分信號的 PCB 線跡應(yīng)成對平行布線并確保阻抗匹配，這樣任何噪聲都會等量地耦合進(jìn)差分信號路徑的兩側(cè)（即“共?！毙盘枺２罘蛛娐肪哂械墓材Ｒ种铺匦?，可很好地抑制任何耦合進(jìn)來的噪聲，從而有效減弱可聽到的噪聲。雖然在許多情況下不能使用差分信號，但這的確是一種非常有用的手段。
另外一個很好的系統(tǒng)設(shè)計實踐是：讓 PCB 板上的易受噪聲耦合影響的信號使用盡可能高的信號電平?？梢约僭O(shè)耦合噪聲的幅度不會隨著發(fā)送信號電平的增加而增加。因此，如果噪聲電平是恒定的，當(dāng)信號電平增加時信噪比 (SNR) 就會增加。SNR 越高代表音頻系統(tǒng)的性能就越高。低電平信號穿越 PCB 時，必須要施加一定的增益，這樣不但提高了噪聲和信號電平，而且最終降低了整個系統(tǒng)的 SNR。最好的方法是在靠近信號源處對低電平信號進(jìn)行放大。
圖 1： 在方案 A 中，信號在靠近麥克風(fēng)、線跡穿越 (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，信號在線跡穿越 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例子。麥克風(fēng)產(chǎn)生的 25mVp-p 信號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 的線跡，它會受耦合噪聲的影響，用信號 E(t) 表示。在方案 A 中，信號在靠近麥克風(fēng)、線跡穿越 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，信號在線跡穿越 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)計可以實現(xiàn)顯著的性能提高。
對由于系統(tǒng)成本或尺寸限制而不能靠近源端放大的信號來說，盡可能縮短 PCB 線跡長度非常重要。短的 PCB 線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)計的最后一種信號是麥克風(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，偏置電壓會在到達(dá)麥克風(fēng)的途中拾取到噪聲。這種噪聲會直接耦合到麥克風(fēng)的輸出中。對此，極佳的設(shè)計實踐是在靠近麥克風(fēng)處用電阻和電容對偏置電壓進(jìn)行濾波。圖
2 就是一款典型的麥克風(fēng)電路設(shè)計，其采用了“偽差分”連接和 RC 濾波器來衰減偏置電壓帶來的噪聲。
圖 2 用電阻和電容對靠近麥克風(fēng)的偏置電壓進(jìn)行濾波是一種很好的設(shè)計實踐
所有的音頻系統(tǒng)都需要某種類型的變送器才能使用戶聽到產(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)置揚聲器，或驅(qū)動外部揚聲器的輸出電路。因為耳機(jī)（大于 16 Ω）和揚聲器（大于 4 Ω）需要大功率信號，因此將與這些變送器相關(guān)的電路線跡的阻抗最小化至關(guān)重要。如果 PCB 線跡有不必要的高阻抗，功率就會損失在 PCB 線跡上，無法送達(dá)變送器。這會導(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。盡量使揚聲器和耳機(jī)的電路線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)中可以實現(xiàn)高質(zhì)量的音頻
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