資料介紹
1、本文出發點
本文基于上次本公眾號發布的“?噪聲的起源” 一文所提到的噪聲產生的原理, 進一步論述簡單而實用的應用:數?;旌?a target='_blank' class='arckwlink_none'>音頻系統中最簡單的規避地噪聲手段—— “單點接地”。讓讀者明白“為什么要單點接地” 。希望讀者著重認清單點接地的原理,從而化用、推廣到其他地方,而不是簡單地記住本文中所提到的例子。
本文內容較多是作者本人的感悟、實踐的結論, 可能有不當之處, 故請廣大讀者僅作討論使用。?
2、本文適用的讀者
“單點接地”是否有似曾相識的感覺?
假如你現在的情況是“聽說過單點接地, 但是不知道具體應該如何單點接地;或者大致知道如何單點接地,但是不能清楚地理解單點接地的原理” 。那么很幸運,本文為你而寫!
3、共阻干擾存在的幾種形式
本文重點是:講述了共阻干擾的幾種常見形式,會產生幾種經典后果:干擾會被放大后輸出、干擾被衰減后輸出、干擾被原原本本地輸出等。
(地線)共阻干擾存在的根本原因是: (地)導線存在阻抗,且干擾與被干擾信號有共同的信號回路。(什么是“信號回路”,在“噪聲的起源” 已經解釋。)
3.1、共阻干擾的幾種形式
3.1.1、完全沒有共阻噪聲
理想狀態,導線無阻抗、分布參數,不存在噪聲。Av-niose = 0 :
如圖3.1-1,理想狀態下, Vout = 100*Vin,輸出沒有噪聲。
3.1.2、共阻噪聲最糟糕的狀態
最壞的布線情況,噪聲會被“加倍放大” 。Av-niose >> 1 :
3.1-2
如圖3.1-2,由于AB點在PCB板上是一段銅箔, 不可避免存在阻抗(雖然銅的電阻率極?。?,假設其阻抗為R5。模擬輸入信號的回路經過A——B段,當有數字電流I1_niose 地回路流經A——B點時, R5既是模擬信號的回流地電阻,也是數字電路信號的回流地電阻,這個導線電阻由模擬、數字“共享” ,故稱為共阻。而數字信號經過R5會產生V1_niose,這個V1_niose電壓將會疊加在干凈的模擬輸入信號上,造成輸入信號的污染(干擾) ,故把這種—— 因為有共同回流路徑而產生的干擾現象叫“共阻干擾” 。
由于該電路放大的是BF端的電壓。(而不僅僅是AF端,如果不明白這一點,必須重新學習功放?。┧訴out=(Vin V1_niose)*100,其中輸出噪聲部分的信號是V1_niose*100!——可見,噪聲被加倍放大了?。?!這是共阻噪聲最為嚴重的一種狀況!
經驗性現象解釋:有人說:銅的電阻率這么低,即使V1_niose 放大一百倍也聽不到,因為用示波器根本沒有看到噪聲的存在!而且數字噪聲一般不在20—— 20KHz人耳可聽見范圍!
這個說法好像有道理,但是實際和理論都是不對的。原因如下: (1)人耳朵在安靜環境中, 通過耳機,人們能清楚地聽到毫伏級(幾毫伏)的音頻噪聲信號,而普通示波器一般無法捕捉到這么微弱的波形。因為普通的數字示波器接上探頭后顯示在屏幕上的噪聲電平有20mV 左右,非常昂貴的示波器在拔掉探頭的情況下,顯示在屏幕上的底噪才可能小于1mV。所以人耳朵能聽到噪聲但是示波器看不到,這很正常。(2)即使數字電路本身工作頻率遠超過20KHz,但MCU內部模塊間的啟動關閉動作的頻率有可能落在音頻范圍。而且,即使大于20KHz的數字信號,經過導線的分布電感與分布電容“濾波”后,形成V1_niose 將落在音頻范圍。這是我們能聽到數字噪聲的原因。
3.1.3、共阻噪聲1:1 放大輸出
干擾不被放大、直接呈現在輸出端。Av-niose = 1:
3.1-3
如圖,若數字噪聲只流過R8,那么Vout=Vin*100 V2_niose,存在數字噪聲,但是噪聲沒有被放大, 所以一般情況下, 數字噪聲不明顯, 只是是在安靜的環境中可能可以聽得到。
3.1.4、共阻干擾被衰減后輸出
干擾會被功放器件抑制, Av-niose << 1 :
如圖,假如在數字電路端單點接地。那么,數字噪聲V3_niose 可以直接回流到電源,并沒有流經功放區域, (其實深究起來,還是有非常微小的部分噪聲流經EC段PCB,并從其他路徑構成回路,但是這個影響非常小。回路路徑如何形成?根據“噪聲的起源”章節中的內容,其實足以領悟出來。)所以不會造成地線的共阻干擾噪聲。但是,有兩點值得擔心的:
(1)電源不是理想的電源,會存在“內阻” ,所以數字電路會通過“干擾公共的電源從而干擾功放” ——幸運的是, 這個干擾非常小, 一般情況下都不會引起系統出現噪聲,原因是:功放的電源紋波抑制比一般非常高!
(2)C與E之間同樣是銅箔,實際上也存在內阻!這段地線也會產生共阻干擾。但是,實際上采用這種布線方式也不會出現干擾問題,原因是:一、其阻抗引起的干擾相當于電源抖動的干擾, 而功放有一定的電源紋波抑制能力(這個是地紋波抑制, 實際測試過的一些芯片, 都是電源紋波抑制能力比地紋波抑制能力好,這應該與Bypass電路有關,有興趣者可以深究) 。二、這個干擾一般是聲音較大時干擾才比較大,但是聲音大后,噪聲會被音樂“蓋住” ,所以人感受不到噪聲的存在。
3.1.5、在電路板上不會存在地噪聲
如圖3.1-5,電池、數字地、模擬地的單點接地點都接在C、E點的重合處。這樣接地,在電路板上不會出現噪聲, Av-niose=0 。(但是,電池接上后,同樣會產生“ 3.1.4”的類似情況,因為每個電源都有內阻。這個讀者自行構建模型分析?。?
無論如何, 對于圖中的電路, 這已經是最好的接地方式了! 而且這種接地方式從未出現過噪聲!
3.2、敏感點與不敏感點
由3.1 的內容知道, PCB走線不當,噪聲會被“成倍放大” 、或會被“ 1 倍放大”。產生這種狀況說明:對于音頻功放放大電路, PCB上存在“地噪聲敏感點和不敏感點”(或者說是敏感段) 。
3.2.1、地噪聲敏感段PCB
圖3.1-2 的AB段的噪聲會被成倍放大, 所以AB段是“地噪聲敏感段PCB”,經過敏感段PCB的數字地噪聲將會被“加倍放大”后輸出。
之所以會被加倍放大,是因為噪聲信號經過功放的前端放大電路的地回流,這段PCB對應于實際應用中的很多功放的“ Bypass電容接地點(如圖3.1-2 中B點)與功率地(如圖3.1-2 中C點)之間的PCB”。也就是: BC間的PCB連走線極有可能成為地噪聲敏感段PCB。
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