便攜式多媒體系統如何實現高質量音頻

在當前功能集中的便攜式多媒體設備中，有越來越多的功能正被集成到越來越小的系統中。音頻是市場上任何具有多媒體功能的系統中最基本的功能，但系統設計師通常更關注‘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。其結果是，在眾多的重要元器件之間，哪里有一點空間，就把音頻電路擠身到哪里，從而導致音頻質量非常一般乃至低劣。然而，只要稍加注意，良好的音頻質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設計相關的優秀系統設計和PCB版圖設計的各種建議。

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

大多數便攜式音頻系統采用數模轉換器(DAC)或編解碼(codec)芯片將數字音頻轉換成通過耳機或揚聲器能聽到的模擬信號。因此圍繞音頻編解碼器或DAC的版圖設計非常重要。

編解碼器或DAC都是在同一芯片中同時包含有模擬和數字電路。這樣，就有多個電源引腳用于提供模擬和數字電源，一般標記為AVDD和DVDD。這些電源管腳分開來的原因是由于數字電路的高速開關電流會產生非常大的噪聲，而模擬電路對電源噪聲又非常敏感。音頻系統設計和版圖的要點是，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的任何噪聲都會以不同的方式損害音頻輸入或輸出信號的質量。

在便攜式音頻系統中，主電源通常是電池。由于系統其它部分(包括無線收發器、存儲器和顯示器等)造成的瞬態變化，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‘潔凈’的工作電源。需要仔細選擇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PCB過孔。相對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，因為串聯電阻對較小電容的響應時間影響較為顯著。

音頻轉換器芯片的數字電源對噪聲的敏感性要低于模擬電源，因此數字電路可以用效率更高的開關模式電源(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電池壽命。一般來說數字電源不必要使用大的去耦電容。不過，應該使用多個1μF和1nF這樣的小電容來對數字電路中頻率非常高的開關電流進行濾波。當然，同上所述，較小的去耦電容也要更靠近IC引腳放置。

便攜式音頻系統中另一個損害信號質量的噪聲源是耦合進模擬輸入和輸出信號中的噪聲。噪聲耦合機制可以是感性或容性的，但優秀的系統設計和PCB版圖可以減小噪聲耦合。可以達到較好噪聲免疫的方法之一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走線應成對布線并確保匹配阻抗，這樣任何噪聲都會等量地耦合進差分信號路徑的兩側(即‘共模’信號)。差分電路具有的共模抑制特性可很好地抑制任何耦合進來的噪聲，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，但這的確是非常有用的手段。

另外一種優秀的系統設計方法是：使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。可以有效地假設耦合噪聲的幅度不會隨著發送信號電平的增加而增加。因此，如果噪聲電平是恒定的，當信號電平增加時信噪比(SNR)就會增加。越高的SNR代表越高性能的音頻系統。低電平信號穿越PCB時，一般需要進行放大，這樣就同時提高了噪聲和信號電平，最終降低了整個系統的SNR。最好的方法是在靠近信號源處對低電平信號進行放大。

圖1給出了采用這種方法的一個例子。麥克風產生的25mVp-p信號A(t)必須穿越PCB，并被放大到1Vp-p進行進一步處理。紅色框表示穿越PCB的走線，它會遭受耦合噪聲的影響，用信號E(t)表示。在方案A中，信號在靠近麥克風、穿越PCB板和耦合到噪聲之前得到放大。結果系統的SNR是60dB。而在方案B中，信號在走線穿越PCB和耦合進噪聲之后才得到放大，結果系統的SNR只有28dB。因此優秀的系統設計可以實現顯著的性能提高。



圖1：放大器位于不同位置將產生不同的信噪比。

對由于系統成本或體積限制而不能靠近源端放大的信號來說，盡可能縮短PCB走線長度很重要。短的PCB走線不太容易受到電容和電感性耦合噪聲的影響。

在內置麥克風的系統中需要仔細設計的最后一種信號是麥克風偏置電路。在便攜式音頻系統中使用的大多數駐極體麥克風(ECM)需要2～3V的偏置電壓。通常偏置電壓是由遠離麥克風的芯片提供的。在這種情況下，偏置電壓會在到達麥克風的途中拾取到噪聲。這種噪聲會直接耦合到麥克風的輸出中。對此，好的設計方法是在靠近麥克風處用電阻和電容對偏置電壓進行濾波。圖2就是典型的麥克風電路設計，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:駐極體麥克風的偏置濾波和偽差分輸出設計。

所有的音頻系統都需要某種類型的換能器才能讓用戶聽到產生的音頻。大多數系統都有耳機輸出。一些系統包括內置揚聲器，或驅動外部揚聲器的輸出電路。因為耳機(大于16歐姆)和揚聲器(大于4歐姆)需要大功率信號，因此將與這些換能器相關的電路走線的阻抗減至最低至關重要。如果PCB走線有不必要的高阻抗，功率就會損失在PCB走線上，無法送達換能器。這會導致音頻質量的下降、電池壽命降低以及系統中不必要的發熱。盡量使揚聲器和耳機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面影響。表1對上述建議作了總結。當遵循這些建議時，就可以在低成本、低功耗的便攜式音頻系統中享受到高質量的音頻信號。

表1：推薦的系統設計方法總結一覽表。