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高品質可攜式音響設備PCB設計指南

time : 2019-09-09 09:17       作者:凡億pcb

今日的多功能可攜式多媒體裝置,在越趨輕薄短小的系統當中,整合了越來越多的功能。音響是多媒體產品的基本功能之一,但是系統工程師往往將較多的心力放在可攜式多媒體裝置的「酷炫」功能研發上,例如無線連結、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所謂「重要」元件電路位置外的剩馀空間,導致音響品質趨于普通,甚至低劣的水準。然而只要多花一些心思安排,良好的音響品質是可以和其他消費者需求的功能達到完美整合的。
 
本文旨在提供相關建議,以達到令人滿意的系統設計與印刷電路板設計(PCB layout)水準,滿足包含音響播放與/或錄音功能之各種可攜式系統設計需求。
 
可攜式音響系統音響品質不佳的可能原因很多,而本文將針對類比式音響訊號的雜訊來源進行討論。不合諧的相關雜音,不論是白噪音(flat)或調性噪音(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會變得非常明顯。調性雜音則視頻率內容不同,可能會是唧唧(buzz)、嗡嗡(hum)或嘎嘎(whine)的雜音。而良好的系統設計和印刷電路板電路圖配置,則能避免這些影響音訊品質的雜音。
 
大部分的可攜式音響系統都使用 DAC 或者 codec IC,以將數位音頻轉為類比式的訊號。而音頻 codec 或 DAC 周圍的電路板設計便顯得非常重要。
 
Codec 或 DAC 裝置在同一個 IC 上都兼有類比和數位電路。因此類比和數位電源也都使用多重電源供應接腳,通常分別標示為 AVDD 和 DVDD。其它類比電源供應接腳的代號還包括 HPVDD、DRVDD、SPKVDD 和 PVDD。其它數位電源供應接腳的代號則包括 IOVDD 和 BVDD。這些電源供應接腳是分離的,因為數位電路可能因為高速交換電流的關系,產生很大的雜訊,類比電路在電源供應上則對雜訊很敏感。音響系統設計和電路圖的重點之一就是類比電源供應接腳:必須要有非常「干凈」的電源供應,將漣波電流(ripple)和瞬變電流(transient)的數量降到最低。任何在類比電源供應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。
 
在可攜式音響系統當中,主要的供電來源通常是電池。由于系統其他部分,包括無線電收發機、儲存裝置與顯示螢幕所導致的瞬變電流的影響,電池可能會是極大雜訊的來源。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壓器(LDO)。它將能夠提供音訊 codec 或 DAC,和任何其他音頻訊號通路裝置,例如擴大器(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。在選擇低壓差線性穩壓器時,須慎選適合供電線路之適當額定電流(current rating)的穩壓器。
 
類比電源使用適當的解藕電容(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,供應快速瞬變電流。解藕電容的位置應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 導孔(vias)。較小的解藕電容相較于較大的電容,應安排于離 IC 接腳較近的位置,因為序列電阻對較小電容的回應時間,會有更為顯著的影響。
 
音響轉換器 IC 當中的數位電源對雜訊的敏感度,遠比類比電源來得低,因此數位電路的電源可以由更具效率的開關電源(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。通常數位電源不需要大型解藕電容。反倒是利用多個較小的電容(例如 1μF 和1nF),才能供應數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,安排的位置應該離 IC 接腳更近。
 
優良PCB設計指南
另外一個在可攜式音響系統當中,造成雜訊干擾的來源是類比輸入與輸出訊號的藕合雜訊。雜訊藕合的機制可能是感應式(inductive)或電容式(capacitive),但是優良的系統設計和 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通路中,盡可能使用差動訊號。差動訊號所使用的 PCB訊號線(trace)應與搭配的阻抗平行配置,讓任何雜訊可以和「一般模式訊號」一樣,和差動訊號通路的兩端同等藕合。差動電路的一般模式阻抗特性,會阻斷任何藕合雜訊,進而減少使用者所聽到的雜訊。雖然差動訊號在有些情況下無法使用,但仍被視為一種非常有效的工具。
 
另外一個系統設計的可行作法,是針對那些通過 PCB 而可能會產生雜訊藕合的訊號使用最高的電壓。實務上可以假設藕合雜訊的強度不會隨著傳送訊號的強度而增加,所以如果雜訊強度維持不變,而信號強度有所增加,那么 SNR 則會增加。如果 SNR 數值增加,表示音響系統的效能也隨之提高。如果低強度的訊號經過 PCB,此數值必然會增加。可能會造成隨訊號產生的雜訊連帶增加,而降低整體系統的 SNR。此時若在接近來源處擴大低強度的訊號會是一種可行的解決方法。
 
圖 1 為此原則的一個范例。一個麥克風產生 25mVp-p 訊號 A(t),此訊號必須經過 PCB,并且必須擴大為 1Vp-p,以便做后續處理。圖中的紅色框框顯示經過電路板的訊號線,會接收藕合雜訊,其由訊號 E(t)代表。在 A 例當中,訊號于靠近麥克風處,在訊號線穿越電路板并藕合雜訊之前被擴大的。這會使得系統 SNR3僅有 28dB 的水準,也說明了好的系統設計能夠造成效能上多大的差別。
圖 1:在 A 例當中,訊號在訊號線穿過電路板,并藕合雜訊前,于鄰近麥克風的位置被擴大,造成 60dB 的系統 SNR。在 B 例當中,訊號是在訊號線穿過電路板,藕合雜訊之后被擴大,造成只有 28dB 的系統 SNR。
圖 1:在 A 例當中,訊號在訊號線穿過電路板,并藕合雜訊前,于鄰近麥克風的位置被擴大,造成 60dB 的系統 SNR。在 B 例當中,訊號是在訊號線穿過電路板,藕合雜訊之后被擴大,造成只有 28dB 的系統 SNR。
 
對于可能因為系統成本,或是尺寸限制條件,而無法在接近訊號源處被擴大的訊號而言,盡可能減少 PCB 訊號線的長度是很重要的。較短的 PCB 訊號線比較不容易受到感應式或電容式機制產生之藕合雜訊干擾。
最后一種在有內建麥克風的系統當中需要謹慎設計的訊號類型,是麥克風偏壓電路(microphone bias circuitry)。可攜式音響系統當中使用的大部分駐極體收音薄膜麥克風(electret capsule microphone)需要 2-3V 的偏壓電壓。通常偏壓電壓是由位置遠離麥克風的 IC 所提供。在這個情況之下,偏壓電壓會在前往麥克風收音薄膜的途中夾帶雜訊。如要解決這個問題,以靠近麥克風的電阻和電容過濾偏壓電壓是一個可行的作法。圖 2 顯示的麥克風電路設計,其具有擬差動聯結(pseudo-differential connection)和 RC 濾波器以減弱偏壓電壓的雜訊。
 圖 2:以靠近麥克風的電阻和電容過濾偏壓電壓是一個理想的作法。
圖 2:以靠近麥克風的電阻和電容過濾偏壓電壓是一個理想的作法。
 
所有音響系統都需要電能變換器(transducer),讓使用者可以聽到所產生的音訊。
在大部分的系統當中,都提供耳機的輸出。某些系統還包含內建或外接擴音器的輸出。因為耳機(>6?)和擴音器(>4?)都需要高電力的訊號,如何將與這些變換器相關的電路訊號線阻抗降到最低,就成了非常重要的工作。如果 PCB 訊號線內有不必要的高阻抗,電力可能會于 PCB 訊號線當中損耗,因而無法傳輸到變換器上。這會導致音響品質的損失,降低電池壽命,并且造成系統不必要的熱能累積。讓擴音器和耳機的訊號線盡可能地寬而短可以減少阻抗,并且將前述的負面影響降到最低。

表 1:低成本低耗電的可攜式音響系統依舊能夠獲得良好的音訊品質
系統區域 建議PCB設計指南 IC 類比電源供應 使用低雜訊、低漣波電流和高 PSRR 的LDO。 鄰近 IC 使用適當的解藕電容。 IC 數位電源供應 使用高效能 SMPS 鄰近 IC 使用適當的解藕電容。 類比音訊訊號 使用等差訊號和連結 如果需要增益(gain)時,在來源附近擴大訊號。 盡量縮短 PCB 訊號線長度。 麥克風偏壓電壓 在麥克風附近過濾偏壓電壓 喇叭/耳機輸出 使用短而寬的 PCB 訊號線以降低電阻。