今日的多功能可攜式多媒體裝置，在越趨輕薄短小的系統(tǒng)當(dāng)中，整合了越來越多的功能。音響是多媒體產(chǎn)品的基本功能之一，但是系統(tǒng)工程師往往將較多的心力放在可攜式多媒體裝置的「酷炫」功能研發(fā)上，例如無線連結(jié)、視訊處理、影像擷取和播放等。因此，音響電路通常只能在利用系統(tǒng)所謂「重要」元件電路位置外的剩馀空間，導(dǎo)致音響品質(zhì)趨于普通，甚至低劣的水準(zhǔn)。然而只要多花一些心思安排，良好的音響品質(zhì)是可以和其他消費(fèi)者需求的功能達(dá)到完美整合的。
本文旨在提供相關(guān)建議，以達(dá)到令人滿意的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與印刷電路板設(shè)計(jì)(PCB layout)水準(zhǔn)，滿足包含音響播放與／或錄音功能之各種可攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。
可攜式音響系統(tǒng)音響品質(zhì)不佳的可能原因很多，而本文將針對類比式音響訊號(hào)的雜訊來源進(jìn)行討論。不合諧的相關(guān)雜音，不論是白噪音(flat)或調(diào)性噪音(tonal)，對終端使用者而言都可能帶來極大的困擾。白噪音就是一種嘶嘶(hiss)的背景音，在安靜的音頻段落時(shí)會(huì)變得非常明顯。調(diào)性雜音則視頻率內(nèi)容不同，可能會(huì)是唧唧(buzz)、嗡嗡(hum)或嘎嘎(whine)的雜音。而良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和印刷電路板電路圖配置，則能避免這些影響音訊品質(zhì)的雜音。
大部分的可攜式音響系統(tǒng)都使用 DAC 或者 codec IC，以將數(shù)位音頻轉(zhuǎn)為類比式的訊號(hào)。而音頻 codec 或 DAC 周圍的電路板設(shè)計(jì)便顯得非常重要。
Codec 或 DAC 裝置在同一個(gè) IC 上都兼有類比和數(shù)位電路。因此類比和數(shù)位電源也都使用多重電源供應(yīng)接腳，通常分別標(biāo)示為 AVDD 和 DVDD。其它類比電源供應(yīng)接腳的代號(hào)還包括 HPVDD、DRVDD、SPKVDD 和 PVDD。其它數(shù)位電源供應(yīng)接腳的代號(hào)則包括 IOVDD 和 BVDD。這些電源供應(yīng)接腳是分離的，因?yàn)閿?shù)位電路可能因?yàn)楦咚俳粨Q電流的關(guān)系，產(chǎn)生很大的雜訊，類比電路在電源供應(yīng)上則對雜訊很敏感。音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電路圖的重點(diǎn)之一就是類比電源供應(yīng)接腳：必須要有非常「干凈」的電源供應(yīng)，將漣波電流(ripple)和瞬變電流(transient)的數(shù)量降到最低。任何在類比電源供應(yīng)接腳上的雜訊都可能以不同的方式，干擾音訊輸入或輸出訊號(hào)。
在可攜式音響系統(tǒng)當(dāng)中，主要的供電來源通常是電池。由于系統(tǒng)其他部分，包括無線電收發(fā)機(jī)、儲(chǔ)存裝置與顯示螢?zāi)凰鶎?dǎo)致的瞬變電流的影響，電池可能會(huì)是極大雜訊的來源。與其直接使用電池的電壓，較理想的作法是使用具良好供電抑制比(power supply rejection ratio)和低輸出雜訊的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)。它將能夠提供音訊 codec 或 DAC，和任何其他音頻訊號(hào)通路裝置，例如擴(kuò)大器(amplifier)2的類比電源電壓，因此確保類比電路擁有「干凈」的電源供應(yīng)。在選擇低壓差線性穩(wěn)壓器時(shí)，須慎選適合供電線路之適當(dāng)額定電流(current rating)的穩(wěn)壓器。
類比電源使用適當(dāng)?shù)慕馀弘娙?decoupling capacitor)也很重要。大型解藕電容(10μF 或以上)能夠用來過濾電源電壓。較小的解藕電容(1μF 或以下)也必須在 IC 需要時(shí)，供應(yīng)快速瞬變電流。解藕電容的位置應(yīng)盡量靠近類比電源接腳，以避免在電容間，以及電源和接地線間造成 PCB 導(dǎo)孔(vias)。較小的解藕電容相較于較大的電容，應(yīng)安排于離 IC 接腳較近的位置，因?yàn)樾蛄须娮鑼^小電容的回應(yīng)時(shí)間，會(huì)有更為顯著的影響。
音響轉(zhuǎn)換器 IC 當(dāng)中的數(shù)位電源對雜訊的敏感度，遠(yuǎn)比類比電源來得低，因此數(shù)位電路的電源可以由更具效率的開關(guān)電源(SMPS)所提供。SMPS 通常有較高的輸出漣波電流和雜訊，但是其 80%的效能和較高的電量能夠大幅提升電池壽命。通常數(shù)位電源不需要大型解藕電容。反倒是利用多個(gè)較小的電容(例如 1μF 和1nF)，才能供應(yīng)數(shù)位電路中的高頻交換電流。同樣地，較小值的解藕電容，相較于較大的電容，安排的位置應(yīng)該離 IC 接腳更近。
優(yōu)良PCB設(shè)計(jì)指南
另外一個(gè)在可攜式音響系統(tǒng)當(dāng)中，造成雜訊干擾的來源是類比輸入與輸出訊號(hào)的藕合雜訊。雜訊藕合的機(jī)制可能是感應(yīng)式(inductive)或電容式(capacitive)，但是優(yōu)良的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 PCB 電路圖配置可將雜訊藕合的程度降到最低。降低雜訊的方法就是在類比音訊訊號(hào)通路中，盡可能使用差動(dòng)訊號(hào)。差動(dòng)訊號(hào)所使用的 PCB訊號(hào)線(trace)應(yīng)與搭配的阻抗平行配置，讓任何雜訊可以和「一般模式訊號(hào)」一樣，和差動(dòng)訊號(hào)通路的兩端同等藕合。差動(dòng)電路的一般模式阻抗特性，會(huì)阻斷任何藕合雜訊，進(jìn)而減少使用者所聽到的雜訊。雖然差動(dòng)訊號(hào)在有些情況下無法使用，但仍被視為一種非常有效的工具。
另外一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行作法，是針對那些通過 PCB 而可能會(huì)產(chǎn)生雜訊藕合的訊號(hào)使用最高的電壓。實(shí)務(wù)上可以假設(shè)藕合雜訊的強(qiáng)度不會(huì)隨著傳送訊號(hào)的強(qiáng)度而增加，所以如果雜訊強(qiáng)度維持不變，而信號(hào)強(qiáng)度有所增加，那么 SNR 則會(huì)增加。如果 SNR 數(shù)值增加，表示音響系統(tǒng)的效能也隨之提高。如果低強(qiáng)度的訊號(hào)經(jīng)過 PCB，此數(shù)值必然會(huì)增加。可能會(huì)造成隨訊號(hào)產(chǎn)生的雜訊連帶增加，而降低整體系統(tǒng)的 SNR。此時(shí)若在接近來源處擴(kuò)大低強(qiáng)度的訊號(hào)會(huì)是一種可行的解決方法。
圖 1 為此原則的一個(gè)范例。一個(gè)麥克風(fēng)產(chǎn)生 25mVp-p 訊號(hào) A(t)，此訊號(hào)必須經(jīng)過 PCB，并且必須擴(kuò)大為 1Vp-p，以便做后續(xù)處理。圖中的紅色框框顯示經(jīng)過電路板的訊號(hào)線，會(huì)接收藕合雜訊，其由訊號(hào) E(t)代表。在 A 例當(dāng)中，訊號(hào)于靠近麥克風(fēng)處，在訊號(hào)線穿越電路板并藕合雜訊之前被擴(kuò)大的。這會(huì)使得系統(tǒng) SNR3僅有 28dB 的水準(zhǔn)，也說明了好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠造成效能上多大的差別。
圖 1：在 A 例當(dāng)中，訊號(hào)在訊號(hào)線穿過電路板，并藕合雜訊前，于鄰近麥克風(fēng)的位置被擴(kuò)大，造成 60dB 的系統(tǒng) SNR。在 B 例當(dāng)中，訊號(hào)是在訊號(hào)線穿過電路板，藕合雜訊之后被擴(kuò)大，造成只有 28dB 的系統(tǒng) SNR。
對于可能因?yàn)橄到y(tǒng)成本，或是尺寸限制條件，而無法在接近訊號(hào)源處被擴(kuò)大的訊號(hào)而言，盡可能減少 PCB 訊號(hào)線的長度是很重要的。較短的 PCB 訊號(hào)線比較不容易受到感應(yīng)式或電容式機(jī)制產(chǎn)生之藕合雜訊干擾。
最后一種在有內(nèi)建麥克風(fēng)的系統(tǒng)當(dāng)中需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)的訊號(hào)類型，是麥克風(fēng)偏壓電路(microphone bias circuitry)。可攜式音響系統(tǒng)當(dāng)中使用的大部分駐極體收音薄膜麥克風(fēng)(electret capsule microphone)需要 2-3V 的偏壓電壓。通常偏壓電壓是由位置遠(yuǎn)離麥克風(fēng)的 IC 所提供。在這個(gè)情況之下，偏壓電壓會(huì)在前往麥克風(fēng)收音薄膜的途中夾帶雜訊。如要解決這個(gè)問題，以靠近麥克風(fēng)的電阻和電容過濾偏壓電壓是一個(gè)可行的作法。圖 2 顯示的麥克風(fēng)電路設(shè)計(jì)，其具有擬差動(dòng)聯(lián)結(jié)(pseudo-differential connection)和 RC 濾波器以減弱偏壓電壓的雜訊。
圖 2：以靠近麥克風(fēng)的電阻和電容過濾偏壓電壓是一個(gè)理想的作法。
所有音響系統(tǒng)都需要電能變換器(transducer)，讓使用者可以聽到所產(chǎn)生的音訊。
在大部分的系統(tǒng)當(dāng)中，都提供耳機(jī)的輸出。某些系統(tǒng)還包含內(nèi)建或外接擴(kuò)音器的輸出。因?yàn)槎鷻C(jī)(>6?)和擴(kuò)音器(>4?)都需要高電力的訊號(hào)，如何將與這些變換器相關(guān)的電路訊號(hào)線阻抗降到最低，就成了非常重要的工作。如果 PCB 訊號(hào)線內(nèi)有不必要的高阻抗，電力可能會(huì)于 PCB 訊號(hào)線當(dāng)中損耗，因而無法傳輸?shù)阶儞Q器上。這會(huì)導(dǎo)致音響品質(zhì)的損失，降低電池壽命，并且造成系統(tǒng)不必要的熱能累積。讓擴(kuò)音器和耳機(jī)的訊號(hào)線盡可能地寬而短可以減少阻抗，并且將前述的負(fù)面影響降到最低。
表 1：低成本低耗電的可攜式音響系統(tǒng)依舊能夠獲得良好的音訊品質(zhì)
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系統(tǒng)區(qū)域 |
建議PCB設(shè)計(jì)指南 |
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IC 類比電源供應(yīng) |
使用低雜訊、低漣波電流和高 PSRR 的LDO。 |
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鄰近 IC 使用適當(dāng)?shù)慕馀弘娙荨?/td>
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IC 數(shù)位電源供應(yīng) |
使用高效能 SMPS |
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鄰近 IC 使用適當(dāng)?shù)慕馀弘娙荨?/td>
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類比音訊訊號(hào) |
使用等差訊號(hào)和連結(jié) |
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如果需要增益(gain)時(shí)，在來源附近擴(kuò)大訊號(hào)。 |
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盡量縮短 PCB 訊號(hào)線長度。 |
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麥克風(fēng)偏壓電壓 |
在麥克風(fēng)附近過濾偏壓電壓 |
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喇叭/耳機(jī)輸出 |
使用短而寬的 PCB 訊號(hào)線以降低電阻。 |
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