在便携式多媒体系统如何实现高质量音频
发布日期:2022-07-15
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在当前功能集中的便携式多媒体设备中，有越来越多的功能正被集成到越来越小的系统中。音频是市场上任何具有多媒体功能的系统中最基本的功能，但系统设计师通常更关注‘吸引人眼球’的特性，如无线连接、视频处理、图像捕获和显示等。其结果是，在众多的重要元器件之间，哪里有一点空间，就把音频电路挤身到哪里，从而导致音频质量非常一般乃至低劣。然而，只要稍加注意，良好的音频质量就能与用户要求的众多其它性能一起被无缝集成到系统中。本文提供了一些与包含有音频回放和/或记录功能的任何便携式系统设计相关的优秀系统设计和PCB版图设计的各种建议。
在便携式音频系统中存在许多引起劣质音频的源，不过本文主要关注模拟音频信号上影响音质的噪声源。不管是平坦(“白”)还是音调的非谐波噪声都会使最终用户感到讨厌。白色噪声被感知为“背景杂音”，在静音时用户能很明显地听见，而音调噪声根据频率成分不同可被感知为‘嗡嗡声’，‘哼声’或‘呜呜声’。音频信号中不必要的噪声污染可以通过良好的系统设计和PCB版图设计加以避免。
大多数便携式音频系统采用数模转换器(DAC)或编解码(codec)芯片将数字音频转换成通过耳机或扬声器能听到的模拟信号。因此围绕音频编解码器或DAC的版图设计非常重要。
编解码器或DAC都是在同一芯片中同时包含有模拟和数字电路。这样，就有多个电源引脚用于提供模拟和数字电源，一般标记为AVDD和DVDD。这些电源管脚分开来的原因是由于数字电路的高速开关电流会产生非常大的噪声，而模拟电路对电源噪声又非常敏感。音频系统设计和版图的要点是，必须为模拟电源引脚提供纹波和瞬变都很小的‘干净’电源。在模拟电源引脚上呈现的任何噪声都会以不同的方式损害音频输入或输出信号的质量。
在便携式音频系统中，主电源通常是电池。由于系统其它部分(包括无线收发器、存储器和显示器等)造成的瞬态变化，使得电池的噪声非常大。因此在给音频编解码器或DAC以及其它音频信号路径上的器件(如放大器等)提供模拟电源时，最好不要直接使用电池电压，而是使用具有良好电源抑制比(PSRR)和低输出噪声的低压降稳压器(LDO)。这样可确保模拟电路有‘洁净’的工作电源。需要仔细选择LDO，确保其额定电流能足以满足所供电电路的需求。在模拟电源端去耦电容的使用方法也很重要。大的去耦电容(10μF 以上)非常适合电源滤波。数值较小的去耦电容(1μF以下)在提供IC所需的快速瞬变电流时也是必需的。去耦电容必须尽可能靠近模拟电源引脚放置，并在电容和电源与地的连接中尽可能避免出现PCB过孔。相对于比较大的电容来说，较小的去耦电容要更靠近IC引脚摆放，因为串联电阻对较小电容的响应时间影响较为显著。
音频转换器芯片的数字电源对噪声的敏感性要低于模拟电源，因此数字电路可以用效率更高的开关模式电源(SMPS)供电。SMPS通常有较高的输出纹波和噪声，但它们80%的效率和较高的供电能力可以显著延长电池寿命。一般来说数字电源不必要使用大的去耦电容。不过，应该使用多个1μF和1nF这样的小电容来对数字电路中频率非常高的开关电流进行滤波。当然，同上所述，较小的去耦电容也要更靠近IC引脚放置。
便携式音频系统中另一个损害信号质量的噪声源是耦合进模拟输入和输出信号中的噪声。噪声耦合机制可以是感性或容性的，但优秀的系统设计和PCB版图可以减小噪声耦合。可以达到较好噪声免疫的方法之一是在模拟音频信号路径中尽可能使用差分信号。用于差分信号的PCB走线应成对布线并确保匹配阻抗，这样任何噪声都会等量地耦合进差分信号路径的两侧(即‘共模’信号)。差分电路具有的共模抑制特性可很好地抑制任何耦合进来的噪声，从而有效减弱可听到的噪声音量。虽然在许多情况下不能使用差分信号，但这的确是非常有用的手段。
另外一种优秀的系统设计方法是：使PCB板上的易受噪声耦合影响的信号使用尽可能高的信号电平。可以有效地假设耦合噪声的幅度不会随着发送信号电平的增加而增加。因此，如果噪声电平是恒定的，当信号电平增加时信噪比(SNR)就会增加。越高的SNR代表越高性能的音频系统。低电平信号穿越PCB时，一般需要进行放大，这样就同时提高了噪声和信号电平，最终降低了整个系统的SNR。最好的方法是在靠近信号源处对低电平信号进行放大。
图1给出了采用这种方法的一个例子。麦克风产生的25mVp-p信号A(t)必须穿越PCB，并被放大到1Vp-p进行进一步处理。红色框表示穿越PCB的走线，它会遭受耦合噪声的影响，用信号E(t)表示。在方案A中，信号在靠近麦克风、穿越PCB板和耦合到噪声之前得到放大。结果系统的SNR是60dB。而在方案B中，信号在走线穿越PCB和耦合进噪声之后才得到放大，结果系统的SNR只有28dB。因此优秀的系统设计可以实现显著的性能提高。
图1：放大器位于不同位置将产生不同的信噪比。
对由于系统成本或体积限制而不能靠近源端放大的信号来说，尽可能缩短PCB走线长度很重要。短的PCB走线不太容易受到电容和电感性耦合噪声的影响。
在内置麦克风的系统中需要仔细设计的最后一种信号是麦克风偏置电路。在便携式音频系统中使用的大多数驻极体麦克风(ECM)需要2～3V的偏置电压。通常偏置电压是由远离麦克风的芯片提供的。在这种情况下，偏置电压会在到达麦克风的途中拾取到噪声。这种噪声会直接耦合到麦克风的输出中。对此，好的设计方法是在靠近麦克风处用电阻和电容对偏置电压进行滤波。图2就是典型的麦克风电路设计，采用了‘伪差分’连接和R-C滤波器来衰减偏置电压带来的噪声。
图2:驻极体麦克风的偏置滤波和伪差分输出设计。
所有的音频系统都需要某种类型的换能器才能让用户听到产生的音频。大多数系统都有耳机输出。一些系统包括内置扬声器，或驱动外部扬声器的输出电路。因为耳机(大于16欧姆)和扬声器(大于4欧姆)需要大功率信号，因此将与这些换能器相关的电路走线的阻抗减至最低至关重要。如果PCB走线有不必要的高阻抗，功率就会损失在PCB走线上，无法送达换能器。这会导致音频质量的下降、电池寿命降低以及系统中不必要的发热。尽量使扬声器和耳机的电路走线更宽更短可以减少这种阻抗，并可以降低由此带来的负面影响。表1对上述建议作了总结。当遵循这些建议时，就可以在低成本、低功耗的便携式音频系统中享受到高质量的音频信号。
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