在可攜式多媒體系統中實現高品質音訊

在當前功能高度整合的可攜式多媒體設備中，有越來越多的功能正被整合在越來越小的系統中。音訊是市場上所有多媒體系統中的最基本功能，但系統設計師通常更關注能‘吸引消費者目光’的特性，如無線連接、視訊處理、影像擷取和顯示等。

這樣做的結果是，在眾多重要零組件之間，音訊電路通常被放置在所剩餘的空間中，導致音訊品質普通甚至低劣。然而，只要稍加注意，良好的音訊品質就能與用戶要求的眾多其它性能一起被無縫整合在系統中。本文提供了一些與包含音訊播放和/或記錄功能等任何可攜式系統設計相關的良好系統設計和PCB佈局設計建議。

在可攜式音訊系統中，存在著許多引起劣質音訊的來源，不過，本文主要關注類比音訊訊號上影響音質的噪音源。不管是平坦(‘白’)還是音調的非諧波噪音，都會影響最終用戶的體驗。白色噪音被感知為‘背景雜音’，在靜音時用戶能很明顯地聽見，而音調噪音根據頻率成分不同，可被感知為‘嗡嗡聲’，‘哼聲’或‘嗚嗚聲’。音訊訊號中不必要的噪音污染可透過良好的系統設計和PCB佈局設計加以避免。

大多數可攜式音訊系統均採用數位類比轉換器(DAC)或編解碼器晶片，將數位音訊轉換成可透過耳機或揚聲器聽到的類比訊號。因此，圍繞音訊編解碼器或DAC的佈局設計非常重要。

編解碼器或DAC均在單一晶片中整合了類比和數位電路。這樣將有多個電源接腳用於提供類比和數位電源，一般標記為AVDD和DVDD。這些電源接腳分開的原因是由於數位電路的高速開關電流會產生非常大的噪音，而類比電路對電源噪音非常敏感。音訊系統設計和佈局的要點是，必須為類比電源接腳提供紋波和瞬變都很小的‘乾淨’電源。在類比電源接腳上呈現的任何噪音都會以不同的方式損害輸入或輸出音訊訊號的品質。

在可攜式音訊系統中，主電源通常是電池。由於系統其它部份(包括無線收發器、記憶體和顯示器等)造成的瞬態變化，使得電池的噪音非常大。因此，在為音訊編解碼器或DAC以及其它音訊訊號路徑上的元件(如放大器等)提供類比電源時，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)和低輸出噪音的低壓降穩壓器(LDO)。這樣可確保類比電路有‘潔淨’的工作電源。必須仔細選擇LDO，確保其額定電流能滿足所供電電路的需求。在類比電源端，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須的。去耦電容必須盡可能靠近類比電源接腳放置，並在電容和電源與地的連接中盡可能避免出現PCB過孔。相對於較大的電容來說，較小的去耦電容要更靠近IC接腳擺放，因為串聯電阻對較小電容的響應時間影響較為顯著。

音訊轉換器晶片的數位電源對噪音的感應性要低於類比電源，因此數位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音，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。一般來說數位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位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接腳放置。

可攜式音訊系統中另一個損害訊號品質的噪音源是耦合進類比輸入和輸出訊號中的噪音。噪音耦合機制可以是電感性或電容性，但優秀的系統設計和PCB佈局可以減少噪音耦合。可達到較好噪音免疫的方法之一是在類比音訊訊號路徑中盡可能使用差分訊號。用於差分訊號的PCB走線應成對佈線並確保匹配阻抗，這樣任何噪音都會等量地耦合進差分訊號路徑的兩側(即‘共模’訊號)。差分電路具有的共模抑制特性可良好地抑制任何耦合進來的噪音，有效減弱可聽到的噪音音量。雖然在許多情況下不能使用差分訊號，但這的確是非常有用的方法。

另外一種優秀的系統設計方法是：讓PCB板上易受噪音耦合影響的訊號使用盡可能高的訊號電平。可有效地假設耦合噪音的振幅不會隨著發送訊號電平的增加而提高。因此，如果噪音電平是?定的，當訊號電平增加時，訊息噪音比(SNR)就會增加。越高的SNR代表越高性能的音訊系統。低電平訊號穿越PCB時，通常需要進行放大，這樣就同時提高了噪音和訊號電平，最終降低了整個系統的SNR。最好的方法是在靠近訊號源處對低電平訊號進行放大。

圖1為採用這種方法的一個範例。麥克風產生的25mVp-p訊號A(t)必須穿越PCB，並被放大到1Vp-p進一步處理。紅色框表示穿越PCB的走線，它會遭受耦合噪音的影響，用訊號E(t)表示。在方案A中，訊號在靠近麥克風、穿越PCB板和耦合到噪音之前得到放大。結果系統的SNR是60dB。而在方案B中，訊號在走線穿越PCB和耦合進噪音之後才得到放大，結果系統的SNR只有28dB。因此優秀的系統設計可顯著提高性能。

圖1：位於不同位置的放大器將產生不同的訊息噪音比。

對受限於系統成本或體積而不能靠近源端放大的訊號來說，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音的影響。

在內建麥克風的系統中，需要仔細設計的最後一種訊號是麥克風偏置電路。在可攜式音訊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晶片提供的。在這種情況下，偏置電壓會在到達麥克風的途中擷取到噪音。這種噪音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為典型的麥克風電路設計，採用了‘偽差分’連接和R-C濾波器來衰減偏置電壓帶來的噪音。

圖2:駐極體麥克風的偏置濾波和偽差分輸出設計。

所有的音訊系統都需要某種類型的變換器才能讓用戶聽到產生的音訊。大多數系統都有耳機輸出。一些系統包括內建揚聲器，或驅動外部揚聲器的輸出電路。因為耳機(大於16歐姆)和揚聲器(大於4歐姆)需要大功率訊號，因此，將有關這些變換器的電路走線阻抗減至最低非常重要。如果PCB走線有不必要的高阻抗，功率就會損失在PCB走線上，無法送達變換器。這會導致音訊品質的下降、電池壽命減少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減少這種阻抗，並能降低由此帶來的負面影響。表1對上述建議進行了總結。

表1：推薦的系統設計方法一覽表。