【经验】高品质可携式音响设备PCB设计指南

时间： 2019-05-28 来源：合盈电路

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，整合了越来越多的功能。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馀空间，导致音响品质趋于普通，甚至低劣的水准。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)水准，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来源进行讨论。不合谐的相关杂音，不论是白噪音(flat)或调性噪音(tonal)，对终端使用者而言都可能带来极大的困扰。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，主要的供电来源通常是电池。由于系统其他部分，包括无线电收发机、储存装置与显示萤幕所导致的瞬变电流的影响，电池可能会是极大杂讯的来源。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)能够用来过濾电源电压。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，远比类比电源来得低，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PCB设计指南

另外一个在可携式音响系统当中，造成杂讯干扰的来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。此时若在接近来源处扩大低强度的讯号会是一种可行的解决方法。

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