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?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?放在可攜式多媒體裝置的「酷炫」功能研發上，?如無線連結、視訊處?、影像擷取和播放等。因此，音響電?通常只能在?用系統所謂「重要」元件電?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，?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?板設計(PCB layout)水準，滿足包含音響播放與／或?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?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?討論。?合諧的相關雜音，?論是白噪音(flat)或調性噪音(tonal)，對終端使用者而言?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?時會變得非常明顯。調性雜音則視頻?內容?同，可能會是唧唧(buzz)、嗡嗡(hum)或嘎嘎(whine)的雜音。而?好的系統設計和印刷電?板電?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?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?板設計?顯得非常重要。
Codec 或 DAC 裝置在同一個 IC 上?兼有類比和數位電?。因此類比和數位電源也?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?可能因為高速交換電?的關系，產生很大的雜訊，類比電?在電源供應上則對雜訊很敏感。音響系統設計和電?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?波電?(ripple)和瞬變電?(transient)的數??到最低。任何在類比電源供應接腳上的雜訊?可能以?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?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?想的作法是使用具?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?裝置，?如擴大器(amplifier)2的類比電源電壓，因此確保類比電?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?之適當額定電?(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?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?。解藕電容的位置應盡?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?電阻對較小電容的回應時間，會有?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?，遠比類比電源來得低，因此數位電?的電源可以由?具效?的開關電源(SMPS)所提供。SMPS 通常有較高的輸出?波電?和雜訊，但是其 80%的效能和較高的電?能夠大幅提升電池壽命。通常數位電源?需要大型解藕電容。反倒是?用多個較小的電容(?如 1μF 和1nF)，才能供應數位電?中的高頻交換電?。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?近。
優?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?的系統設計和 PCB 電?圖配置可將雜訊藕合的程??到最低。?低雜訊的方法就是在類比音訊訊號通?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?配置，讓任何雜訊可以和「一般模式訊號」一樣，和差動訊號通?的?端同等藕合。差動電?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?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??會隨著傳送訊號的強?而增加，所以如果雜訊強?維持?變，而信號強?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?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?低整體系統的 SNR。此時?在接近來源處擴大低強?的訊號會是一種可?的解決方法。
圖 1 為此原則的一個范?。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?做后續處?。圖中的紅色框框顯示經過電?板的訊號線，會接收藕合雜訊，其由訊號 E(t)代表。在 A ?當中，訊號于靠近麥克風處，在訊號線穿越電?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?好的系統設計能夠造成效能上多大的差別。
圖 1：在 A ?當中，訊號在訊號線穿過電?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 ?當中，訊號是在訊號線穿過電?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?是很重要的。較短的 PCB 訊號線比較?容?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?(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?偏壓電壓是一個可?的作法。圖 2 顯示的麥克風電?設計，其具有擬差動?結(pseudo-differential connection)和 RC ?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?偏壓電壓是一個?想的作法。
所有音響系統?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，?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?)?需要高電?的訊號，如何將與這些變換器相關的電?訊號線阻抗?到最低，就成?非常重要的工作。如果 PCB 訊號線內有?必要的高阻抗，電?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，?低電池壽命，并且造成系統?必要的熱能?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?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?好的音訊品質
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系統區域 |
建議PCB設計指南 |
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IC 類比電源供應 |
使用低雜訊、低?波電?和高 PSRR 的LDO。 |
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鄰近 IC 使用適當的解藕電容。 |
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IC 數位電源供應 |
使用高效能 SMPS |
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鄰近 IC 使用適當的解藕電容。 |
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類比音訊訊號 |
使用等差訊號和連結 |
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如果需要增益(gain)時，在來源附近擴大訊號。 |
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盡?縮短 PCB 訊號線長?。 |
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麥克風偏壓電壓 |
在麥克風附近過?偏壓電壓 |
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?叭/耳機輸出 |
使用短而寬的 PCB 訊號線以?低電阻。 |
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