便攜式多媒體系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量音頻

在當(dāng)前功能集中的便攜式多媒體設(shè)備中，有越來越多的功能正被集成到越來越小的系統(tǒng)中。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)師通常更關(guān)注‘吸引人眼球’的特性，如無線連接、視頻處理、圖像捕獲和顯示等。其結(jié)果是，在眾多的重要元器件之間，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，良好的音頻質(zhì)量就能與用戶要求的眾多其它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/或記錄功能的任何便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的優(yōu)秀系統(tǒng)設(shè)計(jì)和PCB版圖設(shè)計(jì)的各種建議。

在便攜式音頻系統(tǒng)中存在許多引起劣質(zhì)音頻的源，不過本文主要關(guān)注模擬音頻信號(hào)上影響音質(zhì)的噪聲源。不管是平坦(“白”)還是音調(diào)的非諧波噪聲都會(huì)使最終用戶感到討厭。白色噪聲被感知為“背景雜音”，在靜音時(shí)用戶能很明顯地聽見，而音調(diào)噪聲根據(jù)頻率成分不同可被感知為‘嗡嗡聲’，‘哼聲’或‘嗚嗚聲’。音頻信號(hào)中不必要的噪聲污染可以通過良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和PCB版圖設(shè)計(jì)加以避免。

大多數(shù)便攜式音頻系統(tǒng)采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)或編解碼(codec)芯片將數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換成通過耳機(jī)或揚(yáng)聲器能聽到的模擬信號(hào)。因此圍繞音頻編解碼器或DAC的版圖設(shè)計(jì)非常重要。

編解碼器或DAC都是在同一芯片中同時(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。這些電源管腳分開來的原因是由于數(shù)字電路的高速開關(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)和版圖的要點(diǎn)是，必須為模擬電源引腳提供紋波和瞬變都很小的‘干凈’電源。在模擬電源引腳上呈現(xiàn)的任何噪聲都會(huì)以不同的方式損害音頻輸入或輸出信號(hào)的質(zhì)量。

在便攜式音頻系統(tǒng)中，主電源通常是電池。由于系統(tǒng)其它部分(包括無線收發(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‘潔凈’的工作電源。需要仔細(xì)選擇LDO，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的使用方法也很重要。大的去耦電容(10µF 以上)非常適合電源濾波。數(shù)值較小的去耦電容(1µF以下)在提供IC所需的快速瞬變電流時(shí)也是必需的。去耦電容必須盡可能靠近模擬電源引腳放置，并在電容和電源與地的連接中盡可能避免出現(xiàn)PCB過孔。相對(duì)于比較大的電容來說，較小的去耦電容要更靠近IC引腳擺放，因?yàn)榇?lián)電阻對(duì)較小電容的響應(yīng)時(shí)間影響較為顯著。

音頻轉(zhuǎn)換器芯片的數(shù)字電源對(duì)噪聲的敏感性要低于模擬電源，因此數(shù)字電路可以用效率更高的開關(guān)模式電源(SMPS)供電。SMPS通常有較高的輸出紋波和噪聲，但它們80%的效率和較高的供電能力可以顯著延長(zhǎng)電池壽命。一般來說數(shù)字電源不必要使用大的去耦電容。不過，應(yīng)該使用多個(gè)1µF和1nF這樣的小電容來對(duì)數(shù)字電路中頻率非常高的開關(guān)電流進(jìn)行濾波。當(dāng)然，同上所述，較小的去耦電容也要更靠近IC引腳放置。

便攜式音頻系統(tǒng)中另一個(gè)損害信號(hào)質(zhì)量的噪聲源是耦合進(jìn)模擬輸入和輸出信號(hào)中的噪聲。噪聲耦合機(jī)制可以是感性或容性的，但優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和PCB版圖可以減小噪聲耦合?？梢赃_(dá)到較好噪聲免疫的方法之一是在模擬音頻信號(hào)路徑中盡可能使用差分信號(hào)。用于差分信號(hào)的PCB走線應(yīng)成對(duì)布線并確保匹配阻抗，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‘共模’信號(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)來的噪聲，從而有效減弱可聽到的噪聲音量。雖然在許多情況下不能使用差分信號(hào)，但這的確是非常有用的手段。

另外一種優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是：使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?？梢杂行У丶僭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。越高的SNR代表越高性能的音頻系統(tǒng)。低電平信號(hào)穿越PCB時(shí)，一般需要進(jìn)行放大，這樣就同時(shí)提高了噪聲和信號(hào)電平，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進(jìn)行進(jìn)一步處理。紅色框表示穿越PCB的走線，它會(huì)遭受耦合噪聲的影響，用信號(hào)E(t)表示。在方案A中，信號(hào)在靠近麥克風(fēng)、穿越PCB板和耦合到噪聲之前得到放大。結(jié)果系統(tǒng)的SNR是60dB。而在方案B中，信號(hào)在走線穿越PCB和耦合進(jìn)噪聲之后才得到放大，結(jié)果系統(tǒng)的SNR只有28dB。因此優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)顯著的性能提高。



圖1：放大器位于不同位置將產(chǎn)生不同的信噪比。

對(duì)由于系統(tǒng)成本或體積限制而不能靠近源端放大的信號(hào)來說，盡可能縮短PCB走線長(zhǎng)度很重要。短的PCB走線不太容易受到電容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)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，好的設(shè)計(jì)方法是在靠近麥克風(fēng)處用電阻和電容對(duì)偏置電壓進(jìn)行濾波。圖2就是典型的麥克風(fēng)電路設(shè)計(jì)，采用了‘偽差分’連接和R-C濾波器來衰減偏置電壓帶來的噪聲。

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圖2:駐極體麥克風(fēng)的偏置濾波和偽差分輸出設(shè)計(jì)。

所有的音頻系統(tǒng)都需要某種類型的換能器才能讓用戶聽到產(chǎn)生的音頻。大多數(shù)系統(tǒng)都有耳機(jī)輸出。一些系統(tǒng)包括內(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歐姆)和揚(yáng)聲器(大于4歐姆)需要大功率信號(hào)，因此將與這些換能器相關(guān)的電路走線的阻抗減至最低至關(guān)重要。如果PCB走線有不必要的高阻抗，功率就會(huì)損失在PCB走線上，無法送達(dá)換能器。這會(huì)導(dǎo)致音頻質(zhì)量的下降、電池壽命降低以及系統(tǒng)中不必要的發(fā)熱。盡量使揚(yáng)聲器和耳機(jī)的電路走線更寬更短可以減少這種阻抗，并可以降低由此帶來的負(fù)面影響。表1對(duì)上述建議作了總結(jié)。當(dāng)遵循這些建議時(shí)，就可以在低成本、低功耗的便攜式音頻系統(tǒng)中享受到高質(zhì)量的音頻信號(hào)。

表1：推薦的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法總結(jié)一覽表。