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音频耦合电容容值大小如何确定 & 音频地环路造成的噪声分析

PART1:

对于硬件工程师来说,或多或少会接触到音频电路,其中耦合电容是必不可少的。

说到这个耦合电容器,我们都知道它的功能是隔离交通。然而,我们发现在不同的电路中,这个电容器的值是不同的,差相当大,小点借0.1uF,大的都收到了1000uF。

自然不能统一,否则就不会统一。那么这些电容值是怎么来的呢?主要与后输入阻抗有关,如下图所示:

耦合电容和后级形成RC高通滤波器,正常情况下,我们需要耦合音频的每个频率分量ex=ey。那么久需要截止频率要小于有用信号的最低频率,如果截止频率过高,那么低频的声音分量就会被衰减了。

截止频率

f=1/2πRC

,若后级为音频放大器,则R为放大器输入阻抗,R芯片选择后,一般没有办法改变值,所以只能选择C值。

我们之所以看到各种音频耦合电容的值,是因为

以下图TI的音频芯片TLV320AIC3254为例:

麦克风连接的耦合电容为0.1uF,耳机耦合电容为47uF。

上图IN1和IN2接麦克风,拾取人声,有效频率300hz-3.4Khz,最低为300Hz。查看TLV320AIC3254规格书可知IN1/IN2的输入阻抗Rin最小为10Khz,耦合电容取0.1uF,根据高通滤波器公式计算的截止频率为159.2Hz。所以0.1uF电容合理。

耳机输出端接耳机,耳机阻抗一般为16Ω,32Ω或64Ω。以R=16Ω,C=47uF计算的截止频率为211.7Hz,也是小于300hz是的。这就是为什么接耳机输出要选择这么大的电容。

因此,在设计电路时,

首先,确定传输信号的最低有效频率F;

二是确定后电路的输入阻抗R;

第三,根据

f=1/2πRC

计算C值;

第四,根据计算C的值选择合适的电容值,实际选择的电容值一般优于C。毕竟截止频率也是衰减3db而且电容器一般偏差20%。

PART2:

音频噪声,很多人都会遇到,下面介绍一个因为音频环地造成的噪声问题。

顾名思义,接地环路是系统接地方案中产生于电路之间的多个接地路径。

如上图所示,红色为电源线,黑色为地线。设备1与设备2音频连接,屏蔽线连接,地面第一次连接。设备2还为设备1供电,电源地线也连接,导致上图黑色连接GND环路。

举个应用场景的例子:音频放大器和PC之间接了2条线,一条线通过USB供电,另一条线为3.5mm接头耳机接头线。这种连接可能会产生噪音。

如上图所示,设备1和设备2都有自己独立的供电系统,原来Device1和Device只有屏蔽线相互连接GND,但是因为都收到了220V所有电源都构成了上图中的红色地环。

总之,许多复杂的应用场景都可能产生环地,再举个例子,有些产品是金属外壳,PCB金属外壳通过螺丝孔连接,也会形成地环。

为什么地环会引起噪音?作者认为有两个原因

因为地环可以作为一个大的环天线,从环境中拾取噪音,在地环上产生电流。地面也由导线组成,不是超导体,会有地电阻,地电感,电流流过必然会产生电压。这个电压就是噪音。接收设备放大后,噪相当可观,有时根本无法使用。值得一提的是,50/60交流电源 Hz磁场是接地环路常见的噪声源。人耳能听到的声音频率范围为20Hz~20000Hz,所以50Hz噪音是可以听到的。

对于共用电源,在正常情况下,我们理想的返回路径是音频GND电源的回流路径为电源地线。然而,电路不可能如此听话。由于地环路的形成,电源回流可以从音频中回流GND线回流,回流的多少取决于两条路径的阻抗。仅仅是电源回流。如果电源的电流波动小,噪不大,毕竟,音频是一个交流信号,如果分流电流是恒定的,就不会产生交流信号。在大多数真实情况下,由于设备的功耗不同,电流也是一个交流信号,因此音频地线上的电流也是一个交流信号,这将在音频频率范围内形成噪声。

A、使用:这种方式断开了地环路

  1. :很多音频线都是两边连接的。GND,如果条件允许,可以在一端连接GND,另一端断开。这样也断开了地环路。

  2. :音频信号端的地线通过小电阻与地面连接。详见具体原理TI文档《TI Ground Loop Break Circuits and Their Operation.pdf》,微信官方账号回复,可以获得文档。该方法的原理是增加地环的阻抗,使噪声主要落在小电阻上——适用于信号SGND和功率PGND分离电路。

标签: 15000uf耦合电容

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