高質(zhì)量便攜式音頻系統的設計實(shí)踐

在當前功能整合的便攜式多媒體設備中，日益變小的系統集成了越來(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中最基本的功能，但系統設計人員通常更關(guān)注便攜式多媒體設備 “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設計相關(guān)的完美系統設計和 PCB 板布局的各種建議。

在便攜式音頻系統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，當撫靜音頻 (quite audio) 通過(guò)時(shí)這種噪聲非常明顯，而音調噪聲會(huì )根據頻率的不同而表現為“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(guò)完美的系統設計和 PCB 板布局加以避免。

大多數便攜式音頻系統都采用數模轉換器 (DAC) 或編解碼器芯片將數字音頻轉換成模擬信號。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)包含有模擬和數字電路。這樣，就有多個(gè)電源引腳用于提供模擬和數字電源，一般標記為 AVDD 和 DVDD；而其他模擬電源引腳則標記為 HPVDD、DRVDD、SPKVDD 以及 PVDD。這些電源引腳之所以要分開(kāi)是因為數字電路的高速開(kāi)關(guān)電流會(huì )產(chǎn)生非常大的噪聲，而模擬電路對電源噪聲又非常敏感。音頻系統設計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的質(zhì)量。

在便攜式音頻系統中，主電源通常采用電池供電。由于系統其它部件（包括無(wú)線(xiàn)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(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壓器 (LDO)。這樣可確保模擬電路有“清潔”的工作電源。需要仔細選擇 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，因為串聯(lián)電阻對較小電容器的響應時(shí)間影響較為顯著(zhù)。

極佳的設計實(shí)踐

便攜式音頻系統中另一個(gè)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。噪聲耦合機制可以是感性或容性的，但極佳的系統設計和 PCB 布局可以最小化噪聲耦合。實(shí)現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(xiàn)跡應成對平行布線(xiàn)并確保阻抗匹配，這樣任何噪聲都會(huì )等量地耦合進(jìn)差分信號路徑的兩側（即“共?！毙盘枺?。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，但這的確是一種非常有用的手段。

另外一個(gè)很好的系統設計實(shí)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耦合噪聲的幅度不會(huì )隨著(zhù)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，當信號電平增加時(shí)信噪比 (SNR) 就會(huì )增加。SNR 越高代表音頻系統的性能就越高。低電平信號穿越 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電平，而且最終降低了整個(gè)系統的 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(xiàn)跡穿越 (travel across) PCB 板和耦合到噪聲之前得到放大，系統信噪比 (SNR) 為 60dB；而在方案 B 中，信號在線(xiàn)跡穿越 PCB 和耦合到噪聲之后才得到放大，因此系統的 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 E(t) 表示。在方案 A 中，信號在靠近麥克風(fēng)、線(xiàn)跡穿越 PCB 板和耦合到噪聲之前得到放大，系統的 SNR 為60dB；而在方案B中，信號在線(xiàn)跡穿越 PCB 和耦合到噪聲之后才得到放大，系統的 SNR 僅為 28dB。因此極佳的系統設計可以實(shí)現顯著(zhù)的性能提高。

對由于系統成本或尺寸限制而不能靠近源端放大的信號來(lái)說(shuō)，盡可能縮短 PCB 線(xiàn)跡長(cháng)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。

在內置麥克風(fēng)的系統中需要仔細設計的最后一種信號是麥克風(fēng)偏置電路。在便攜式音頻系統中使用的大多數駐極體麥克風(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。對此，極佳的設計實(shí)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)電路設計，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 用電阻和電容對靠近麥克風(fēng)的偏置電壓進(jìn)行濾波是一種很好的設計實(shí)踐
所有的音頻系統都需要某種類(lèi)型的變送器才能使用戶(hù)聽(tīng)到產(chǎn)生的音頻。大多數系統都有耳機輸出。一些系統含有內置揚聲器，或驅動(dòng)外部揚聲器的輸出電路。因為耳機（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(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)法送達變送器。這會(huì )導致音頻質(zhì)量的下降、電池使用壽命縮短以及系統中不必要的發(fā)熱。盡量使揚聲器和耳機的電路線(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)的負面影響。

表 1 在低成本、低功耗便攜式音頻系統中可以實(shí)現高質(zhì)量的音頻