高质量便携式音频系统的设计实践

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所属分类:音频杂谈

在当前功能整合的便携式多媒体设备中,日益变小的系统集成了越来越多的功能。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,但系统设计人员通常更关注便携式多媒体设备 “吸引人眼球”的特性,如无线连接、视频处理、图像捕获以及显示等。因此,在众多的“重要”组件之间,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,就能将完美的音频质量与用户所要求的其它众多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/或录音功能的任何便携式系统设计相关的完美系统设计和 PCB 板布局的各种建议。 

在便携式音频系统中存在许多引起劣质音频的原因,不过本文主要讲述模拟音频信号上的噪声源对音质的影响。不管是平坦噪声(白噪声)还是音调的非谐波噪声都会引起最终用户的烦感。通常我们听到的“背景嘶嘶作响”就是白噪声,当抚静音频 (quite audio) 通过时这种噪声非常明显,而音调噪声会根据频率的不同而表现为“嗡嗡声”,“哼哼声”或“呜呜声”。音频信号中不必要的噪声干扰可以通过完美的系统设计和 PCB 板布局加以避免。 

大多数便携式音频系统都采用数模转换器 (DAC) 或编解码器芯片将数字音频转换成模拟信号。因此音频编解码器或 DAC 周围的布局非常重要。 

编解码器或 DAC 均为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;而其他模拟电源引脚则标记为 HPVDD、DRVDD、SPKVDD 以及 PVDD。这些电源引脚之所以要分开是因为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。音频系统设计和电路板布局非常重的一点是:必须为模拟电源引脚提供纹波和瞬变都非常小的“清洁”电源。在模拟电源引脚上的任何噪声都会以不同的方式影响音频输入或输出信号的质量。 

在便携式音频系统中,主电源通常采用电池供电。由于系统其它部件(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纹波抑制比 (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“清洁”的工作电源。需要仔细选择 LDO,以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器的正确使用也很重要。大的去耦电容器(10μF 或以上)非常适合电源电压滤波。数值较小的去耦电容器(1μF或以下)在提供IC所需的快速瞬变电流时也是必需的。去耦电容器应尽可能靠近模拟电源引脚放置,并在电容器和电源以及接地的连接中尽可能避免 PCB 过孔。相对于比较大的电容器来说,较小的去耦电容器要更靠近 IC 引脚摆放,因为串联电阻对较小电容器的响应时间影响较为显著。 

极佳的设计实践 

便携式音频系统中另一个干扰信号质量的噪声源是耦合进模拟输入和输出信号的噪声。噪声耦合机制可以是感性或容性的,但极佳的系统设计和 PCB 布局可以最小化噪声耦合。实现极佳噪声抗扰度的方法之一就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 线迹应成对平行布线并确保阻抗匹配,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。虽然在许多情况下不能使用差分信号,但这的确是一种非常有用的手段。 

另外一个很好的系统设计实践是:让 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。SNR 越高代表音频系统的性能就越高。低电平信号穿越 PCB 时,必须要施加一定的增益,这样不但提高了噪声和信号电平,而且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。

高质量便携式音频系统的设计实践

图 1: 在方案 A 中,信号在靠近麦克风、线迹穿越 (travel across) PCB 板和耦合到噪声之前得到放大,系统信噪比 (SNR) 为 60dB;而在方案 B 中,信号在线迹穿越 PCB 和耦合到噪声之后才得到放大,因此系统的 SNR 仅为 28dB。 

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 以进行进一步处理。红色框表示穿越 PCB 的线迹,它会受耦合噪声的影响,用信号 E(t) 表示。在方案 A 中,信号在靠近麦克风、线迹穿越 PCB 板和耦合到噪声之前得到放大,系统的 SNR 为60dB;而在方案B中,信号在线迹穿越 PCB 和耦合到噪声之后才得到放大,系统的 SNR 仅为 28dB。因此极佳的系统设计可以实现显著的性能提高。 

对由于系统成本或尺寸限制而不能靠近源端放大的信号来说,尽可能缩短 PCB 线迹长度非常重要。短的 PCB 线迹不太容易受到容性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) 都需要 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,极佳的设计实践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 就是一款典型的麦克风电路设计,其采用了“伪差分”连接和 RC 滤波器来衰减偏置电压带来的噪声。

高质量便携式音频系统的设计实践
图 2 用电阻和电容对靠近麦克风的偏置电压进行滤波是一种很好的设计实践

所有的音频系统都需要某种类型的变送器才能使用户听到产生的音频。大多数系统都有耳机输出。一些系统含有内置扬声器,或驱动外部扬声器的输出电路。因为耳机(大于 16 Ω)和扬声器(大于 4 Ω)需要大功率信号,因此将与这些变送器相关的电路线迹的阻抗最小化至关重要。如果 PCB 线迹有不必要的高阻抗,功率就会损失在 PCB 线迹上,无法送达变送器。这会导致音频质量的下降、电池使用寿命缩短以及系统中不必要的发热。尽量使扬声器和耳机的电路线迹更宽更短不但可以降低这种阻抗,而且还可以降低由此带来的负面影响。

表 1 在低成本、低功耗便携式音频系统中可以实现高质量的音频
高质量便携式音频系统的设计实践

作者:Mark Toth, 德州仪器 (TI) 音频/成像产品部高性能模拟系统工程师

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