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高品质可携式音响设备PCB设计实务

发布时间 :2017-09-23 10:43 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
今日的多功能可携式多媒体装置,在越趋轻薄短小的系统当中,整合了越來越多的功能。音响是多媒体产品的基本功能之一,但是系统工程师往往将较多的心力放在可携式多媒体装置的「酷炫」功能研发上,例如无线连结、视讯处理、影像撷取和播放等。因此,音响电路通常只能在利用系统所谓「重要」元件电路位置外的剩余空间,导致音响品质趋于普通,甚至低劣的水淮。然而只要多花一些心思安排,良好的音响品质是可以和其他消费者需求的功能达到完美整合的。本文旨在提供相关建议,以达到令人满意的系统设计与印刷电路板设计(PCB layout)水淮,满足包含音响播放与/或錄音功能之各种可携式系统设计需求。
 
可携式音响系统音响品质不佳的可能原因很多,而本文将针对类比式音响讯号的杂讯來源进行讨論。不合谐的相关杂音,不論是白噪音(flat)或调性噪音(tonal),对终端使用者而言都可能带來极大的困扰。白噪音就是一种嘶嘶(hiss)的背景音,在安静的音频段落时会变得非常明显。调性杂音则视频率内容不同,可能会是唧唧(buzz)、嗡嗡(hum)或嘎嘎(whine)的杂音。而良好的系统设计和印刷电路板电路图配置,则能避免这些影响音讯品质的杂音。
 
大部分的可携式音响系统都使用 DAC 或者 codec IC,以将数位音频转为类比式的讯号。而音频 codec 或 DAC 周围的电路板设计便显得非常重要。
 
Codec 或 DAC 装置在同一个 IC 上都兼有类比和数位电路。因此类比和数位电源也都使用多重电源供应接脚,通常分别标示为 AVDD 和 DVDD。其它类比电源供应接脚的代号还包括 HPVDD、DRVDD、SPKVDD 和 PVDD。其它数位电源供应接脚的代号则包括 IOVDD 和 BVDD。这些电源供应接脚是分离的,因为数位电路可能因为高速交换电流的关系,产生很大的杂讯,类比电路在电源供应上则对杂讯很敏感。音响系统设计和电路图的重点之一就是类比电源供应接脚:必须要有非常「干净」的电源供应,将漣波电流(ripple)和瞬变电流(transient)的数量降到最低。任何在类比电源供应接脚上的杂讯都可能以不同的方式,干扰音讯输入或输出讯号。
 
在可携式音响系统当中,主要的供电來源通常是电池。由于系统其他部分,包括无线电收发机、储存装置与显示屏幕所导致的瞬变电流的影响,电池可能会是极大杂讯的來源。与其直接使用电池的电压,较理想的作法是使用具良好供电抑制比(power supply rejection ratio)和低输出杂讯的低压差线性稳压器(LDO)。它将能够提供音讯 codec 或 DAC,和任何其他音频讯号通路装置,例如扩大器(amplifier)2的类比电源电压,因此确保类比电路拥有「干净」的电源供应。
 
在选择低压差线
性稳压器时,须慎选适合供电线路之适当额定电流(current rating)的稳压器。类比电源使用适当的解藕电容(decoupling capacitor)也很重要。大型解藕电容(10μF 或以上)能够用來过滤电源电压。较小的解藕电容(1μF 或以下)也必须在 IC 需要时,供应快速瞬变电流。解藕电容的位置应尽量靠近类比电源接脚,以避免在电容间,以及电源和接地线间造成 PCB 导孔(vias)。较小的解藕电容相较于较大的电容,应安排于离 IC 接脚较近的位置,因为序列电阻对较小电容的回应时间,会有更为显著的影响。
 
音响转换器 IC 当中的数位电源对杂讯的敏感度,远比类比电源來得低,因此数位电路的电源可以由更具效率的开关电源(SMPS)所提供。SMPS 通常有较高的输出漣波电流和杂讯,但是其 80%的效能和较高的电量能够大幅提升电池寿命。通常数位电源不需要大型解藕电容。反倒是利用多个较小的电容(例如 1μF 和1nF),才能供应数位电路中的高频交换电流。同样地,较小值的解藕电容,相较于较大的电容,安排的位置应该离 IC 接脚更近。
 
优良设计实务
另外一个在可携式音响系统当中,造成杂讯干扰的來源是类比输入与输出讯号的藕合杂讯。杂讯藕合的机制可能是感应式(inductive)或电容式(capacitive),但是优良的系统设计和 PCB 电路图配置可将杂讯藕合的程度降到最低。降低杂讯的方法就是在类比音讯讯号通路中,尽可能使用差动讯号。差动讯号所使用的 PCB讯号线(trace)应与搭配的阻抗平行配置,让任何杂讯可以和「一般模式讯号」一样,和差动讯号通路的兩端同等藕合。差动电路的一般模式阻抗特性,会阻断任何藕合杂讯,进而减少使用者所听到的杂讯。虽然差动讯号在有些情况下无法使用,但仍被视为一种非常有效的工具。
 
另外一个系统设计的可行作法,是针对那些通过 PCB 而可能会产生杂讯藕合的讯号使用最高的电压。实务上可以假设藕合杂讯的强度不会随著传送讯号的强度而增加,所以如果杂讯强度维持不变,而信号强度有所增加,那么 SNR 则会增加。如果 SNR 数值增加,表示音响系统的效能也随之提高。如果低强度的讯号经过 PCB,此数值必然会增加。可能会造成随讯号产生的杂讯连带增加,而降低整体系统的 SNR。此时若在接近來源处扩大低强度的讯号会是一种可行的解决方法。
 
图 1 为此原则的一个范例。一个麦克风产生 25mVp-p 讯号 A(t),此讯号必须经过 PCB,并且必须扩大为 1Vp-p,以便做后续处理。图中的红色框框显示经过电路板的讯号线,会接收藕合杂讯,其由讯号 E(t)代表。在 A 例当中,讯号于靠近麦克风处,在讯号线穿越电路板并藕合杂讯之前被扩大的。这会使得系统 SNR3仅有 28dB 的水淮,也說明了好的系统设计能够造成效能上多大的差别。
在 A 例当中,讯号在讯号线穿过电路板,并藕合杂讯前,于邻近麦克风的位置被扩大,造成 60dB 的系统 SNR。在 B 例当中,讯号是在讯号线穿过电路板,藕合杂讯之后被扩大,造成只有 28dB 的系统 SNR。
图 1:在 A 例当中,讯号在讯号线穿过电路板,并藕合杂讯前,于邻近麦克风的位置被扩大,造成 60dB 的系统 SNR。在 B 例当中,讯号是在讯号线穿过电路板,藕合杂讯之后被扩大,造成只有 28dB 的系统 SNR。
 
对于可能因为系统成本,或是尺寸限制条件,而无法在接近讯号源处被扩大的讯号而言,尽可能减少 PCB 讯号线的长度是很重要的。较短的 PCB 讯号线比较不容易受到感应式或电容式机制产生之藕合杂讯干扰。
 
最后一种在有内建麦克风的系统当中需要谨慎设计的讯号类型,是麦克风偏压电路(microphone bias circuitry)。可携式音响系统当中使用的大部分驻极体收音薄膜麦克风(electret capsule microphone)需要 2-3V 的偏压电压。通常偏压电压是由位置远离麦克风的 IC 所提供。在这个情况之下,偏压电压会在前往麦克风收音薄膜的途中夹带杂讯。如要解决这个问题,以靠近麦克风的电阻和电容过滤偏压电压是一个可行的作法。图 2 显示的麦克风电路设计,其具有拟差动联结(pseudo-differential connection)和 RC 滤波器以减弱偏压电压的杂讯。
以靠近麦克风的电阻和电容过滤偏压电压是一个理想的作法。
图 2:以靠近麦克风的电阻和电容过滤偏压电压是一个理想的作法。
 
所有音响系统都需要电能变换器(transducer),让使用者可以听到所产生的音讯。
在大部分的系统当中,都提供耳机的输出。某些系统还包含内建或外接扩音器的输出。因为耳机(>6Ω)和扩音器(>4Ω)都需要高电力的讯号,如何将与这些变换器相关的电路讯号线阻抗降到最低,就成了非常重要的工作。如果 PCB 讯号线内有不必要的高阻抗,电力可能会于 PCB 讯号线当中损耗,因而无法传输到变换器上。这会导致音响品质的损失,降低电池寿命,并且造成系统不必要的热能累积。让扩音器和耳机的讯号线尽可能地宽而短可以减少阻抗,并且将前述的负面影响降到最低。
 
表 1:低成本低耗电的可携式音响系统依旧能够获得良好的音讯品质
系统区域 建议设计实务
IC 类比电源供应 使用低杂讯、低漣波电流和高 PSRR 的LDO。
邻近 IC 使用适当的解藕电容。
IC 数位电源供应  使用高效能 SMPS
邻近 IC 使用适当的解藕电容。
类比音讯讯号 使用等差讯号和连结
如果需要增益(gain)时,在來源附近扩大讯号。
尽量缩短 PCB 讯号线长度。
麦克风偏压电压 在麦克风附近过滤偏压电压
喇叭/耳机输出 使用短而宽的 PCB 讯号线以降低电阻。


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