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    在當(dāng)前功能集中的便攜式多媒體設(shè)備中，有越來越多的功能正被集成到越來越小的系統(tǒng)中。音頻是市場上任何具有多媒體功能的系統(tǒng)中最基本的功能，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)師通常更關(guān)注‘吸引人眼球’的特性，如無線連接、視頻處理、圖像捕獲和顯示等。其結(jié)果是，在眾多的重要元器件之間，哪里有一點(diǎn)空間，就把音頻電路擠身到哪里，從而導(dǎo)致音頻質(zhì)量非常一般乃至低劣。然而，只要稍加注意，良好的音頻質(zhì)量就能與用戶要求的眾多其它性能一起被無縫集成到系統(tǒng)中。本文提供了一些與包含有音頻回放和/或記錄功能的任何便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的優(yōu)秀系統(tǒng)設(shè)計(jì)和PCB版圖設(shè)計(jì)的各種建議。

    在便攜式音頻系統(tǒng)中存在許多引起劣質(zhì)音頻的源，不過本文主要關(guān)注模擬音頻信號上影響音質(zhì)的噪聲源。不管是平坦(“白”)還是音調(diào)的非諧波噪聲都會(huì)使最終用戶感到討厭。白色噪聲被感知為“背景雜音”，在靜音時(shí)用戶能很明顯地聽見，而音調(diào)噪聲根據(jù)頻率成分不同可被感知為‘嗡嗡聲’，‘哼聲’或‘嗚嗚聲’。音頻信號中不必要的噪聲污染可以通過良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和PCB版圖設(shè)計(jì)加以避免。

    大多數(shù)便攜式音頻系統(tǒng)采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)或編解碼(codec)芯片將數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換成通過耳機(jī)或揚(yáng)聲器能聽到的模擬信號。因此圍繞音頻編解碼器或DAC的版圖設(shè)計(jì)非常重要。

    編解碼器或DAC都是在同一芯片中同時(shí)包含有模擬和數(shù)字電路。這樣，就有多個(gè)電源引腳用于提供模擬和數(shù)字電源，一般標(biāo)記為AVDD和DVDD。這些電源管腳分開來的原因是由于數(shù)字電路的高速開關(guān)電流會(huì)產(chǎn)生非常大的噪聲，而模擬電路對電源噪聲又非常敏感。音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和版圖的要點(diǎn)是，必須為模擬電源引腳提供紋波和瞬變都很小的‘干凈’電源。在模擬電源引腳上呈現(xiàn)的任何噪聲都會(huì)以不同的方式損害音頻輸入或輸出信號的質(zhì)量。

    在便攜式音頻系統(tǒng)中，主電源通常是電池。由于系統(tǒng)其它部分(包括無線收發(fā)器、存儲器和顯示器等)造成的瞬態(tài)變化，使得電池的噪聲非常大。因此在給音頻編解碼器或DAC以及其它音頻信號路徑上的器件(如放大器等)提供模擬電源時(shí)，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)和低輸出噪聲的低壓降穩(wěn)壓器(LDO)。這樣可確保模擬電路有‘潔凈’的工作電源。需要仔細(xì)選擇LDO，確保其額定電流能足以滿足所供電電路的需求。在模擬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(shù)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(shí)也是必需的。去耦電容必須盡可能靠近模擬電源引腳放置，并在電容和電源與地的連接中盡可能避免出現(xiàn)PCB過孔。相對于比較大的電容來說，較小的去耦電容要更靠近IC引腳擺放，因?yàn)榇?lián)電阻對較小電容的響應(yīng)時(shí)間影響較為顯著。

    音頻轉(zhuǎn)換器芯片的數(shù)字電源對噪聲的敏感性要低于模擬電源，因此數(shù)字電路可以用效率更高的開關(guān)模式電源(SMPS)供電。SMPS通常有較高的輸出紋波和噪聲，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(shù)字電源不必要使用大的去耦電容。不過，應(yīng)該使用多個(gè)1μF和1nF這樣的小電容來對數(shù)字電路中頻率非常高的開關(guān)電流進(jìn)行濾波。當(dāng)然，同上所述，較小的去耦電容也要更靠近IC引腳放置。

    便攜式音頻系統(tǒng)中另一個(gè)損害信號質(zhì)量的噪聲源是耦合進(jìn)模擬輸入和輸出信號中的噪聲。噪聲耦合機(jī)制可以是感性或容性的，但優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和PCB版圖可以減小噪聲耦合。可以達(dá)到較好噪聲免疫的方法之一是在模擬音頻信號路徑中盡可能使用差分信號。用于差分信號的PCB走線應(yīng)成對布線并確保匹配阻抗，這樣任何噪聲都會(huì)等量地耦合進(jìn)差分信號路徑的兩側(cè)(即‘共?！盘?。差分電路具有的共模抑制特性可很好地抑制任何耦合進(jìn)來的噪聲，從而有效減弱可聽到的噪聲音量。雖然在許多情況下不能使用差分信號，但這的確是非常有用的手段。

    另外一種優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是：使PCB板上的易受噪聲耦合影響的信號使用盡可能高的信號電平?？梢杂行У丶僭O(shè)耦合噪聲的幅度不會(huì)隨著發(fā)送信號電平的增加而增加。因此，如果噪聲電平是恒定的，當(dāng)信號電平增加時(shí)信噪比(SNR)就會(huì)增加。越高的SNR代表越高性能的音頻系統(tǒng)。低電平信號穿越PCB時(shí)，一般需要進(jìn)行放大，這樣就同時(shí)提高了噪聲和信號電平，最終降低了整個(gè)系統(tǒng)的SNR。最好的方法是在靠近信號源處對低電平信號進(jìn)行放大。

    圖1給出了采用這種方法的一個(gè)例子。麥克風(fēng)產(chǎn)生的25mVp-p信號A(t)必須穿越PCB，并被放大到1Vp-p進(jìn)行進(jìn)一步處理。紅色框表示穿越PCB的走線，它會(huì)遭受耦合噪聲的影響，用信號E(t)表示。在方案A中，信號在靠近麥克風(fēng)、穿越PCB板和耦合到噪聲之前得到放大。結(jié)果系統(tǒng)的SNR是60dB。而在方案B中，信號在走線穿越PCB和耦合進(jìn)噪聲之后才得到放大，結(jié)果系統(tǒng)的SNR只有28dB。因此優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)顯著的性能提高。