基于BA3121解决音频信号地噪声的经验

音频环地地噪声 BA3121

川楠

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发布时间: 2019-08-07

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大家好，这次我就分享一个我实际项目中遇到的一个音频问题。
在嵌入式产品、机器人等设计中，音频功放设计有时候必不可少，我们对音频的要求不高，只要音量足够，声音听起来更干净，清晰，没有噪音即可，毕竟我们不是做专业的音响，不需要高保真，4D环绕，高低音搭配等等。

**什么是环地**
如下图所示，嵌入式板卡与功放使用同一个电源，音频信号由嵌入式板卡通过3.5MM接口输出，给音频功放。
![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/201908/6966cd08897f74285e1af12d12f6af2f.png)
如上图红色标注的部分所示，地线回路与3.5MM的音频信号行成了地环回路，如果3.5MM接头两边的电路没有经过特殊处理，那么此时的功放扬声器中，你可能会听到一个“叮....”的噪声。这个噪声会一直存在，伴随着你的嵌入式板卡的音量增加而增加，就是共地噪声的影响。

这个噪声是不能接收的，是不是只要打破这个环路，那就可以解决这个问题呢？首先想到的就是电容隔离或者地线不接，如下图所示。
![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/201908/535aa1702d8f5aaeb6abcaa25fe41454.png)
但是，经过我的实际测试，最终得到的结果是：这些手段都是无效的。

**解决之道**
经过查阅各种资料、以及网上其他的案例，在加上请教专业的音频功放设计工程师，最后总结如下：解决这种环地干扰就三种手段，电源隔离、音频信号隔离、信号地分割。

方法一：电源隔离
	电路设计拓扑如下：
![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/201908/5f02ec6ad49901fefbf2bed58c88d4e0.png)
嵌入式板卡的供电由DC电源提供，音频功放的电源由DC-DC隔离电源提供，这样就切断了功放与嵌入式板卡之前的地，行成不了环地，这样这个环地噪声也就没有了。
注意这个电源必须是隔离电源，非隔离的电源是没有效果的。

在我拆解小船机器人时候，发现小船就是用的这种电源隔离方式设计音频的，实物拍摄如下图所示。
![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/201908/57e43e29997ffeb71048c9be221c2cb7.jpg)
从丝印上来看，其电源采用了10W的12V转12V隔离电源，音频采用的是PAM8006方案，15Wx2双声道8欧姆扬声器的D类数字功放。

方法二：音频信号隔离
音频信号隔离一般主要是在功放的前端（即输入信号）进行音频信号隔离。在TAOBAO上也有卖这种音频信号隔离器。
下图为我在网上能买到的音频隔离器，其内部电路为耦合电感，电路示意图如下：
![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/201908/7a12efd73221df4c7fc72d8f48e660f7.jpg)
实际使用的时候只需要在3.5MM的音频输入信号上加上这个隔离器就可以。
![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/201908/2dc5bc7868b20870ce006dcdb47a8647.jpg)
这种隔离器内部很简单，就是量耦合电感（左右声道各一个），使用也挺方便的，唯一的遗憾就是其体积比较大，当然也可以直接把这种耦合电感设计到板子上。

方法三：音频信号地分割
如果，即不使用隔离电源，也不使用信号隔离器，就要使用那种环地的方式去搭建音频方案，能否解决环地引起的噪声么？
答案是可以的，但是这个需要很强的专业功底和电路绘制技巧。

“音频信号地分割”这个名字是我自己取得，可能不够专业，其设计原理要求嵌入式板卡需要提供一个干净的音频信号，这个信号不能含有太多的噪音。基本原理如下：
![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/201908/bf56787c5bc64144cc171ee45e3d93c3.jpg)
如上图就是嵌入式板卡（音频源）的设计思路：一般来说，嵌入式板卡上有很多的耗电设备，显示屏幕，CPU，内存，音频等等，这个些设备都可以看成一个个的负载，都是有电流流过的。
而所有的电流都是从电源正流到电源负。
所以，要求嵌入式板卡的电源以及地需要设计合理，如上图所示，电源输入总电流为I总，分别流向负载，RL1、RL2....RLn，均会产生一个对应的电流I1,I2......In。
那么要求在设计嵌入式板卡的时候大电流的负载靠近电源端口，依次是中电流，最后是小电流，而3.5MM音频输出为非常小的电流，这里用RLn表示，其上面流过的电流十分微弱几乎不计，而3.5MM的音频信号和地，就需要从从这里输出。
这样的设计好处是大电流的设备对地的影响，会不影响到后级的电源地。

如何去实现这样的设计呢？那就是地平面分割，通过地平面的有效分割，去约束电源地中的电流流向（绝对不能使用满铺敷铜的方式去实现地平面设计）。
而最末端，由于其电流很小，对电源的冲击也很小，所以这样输出的音频信号，就是一个干净的音频信号。

如何去判断一个音频信号是否为干净的音频信号？
很简单，在音频信号上串接一个电流表，只要这个电流表上有电流，这个信号就不是一个完美的音频信号。
![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/201908/db3eb4905f9ed3b10010779161e44161.jpg)

**实际设计**
结合了上述几种方法，在我项目中，应该如何选择？
首先隔离电源的方案，我的项目中至少要选择一个20W的隔离电源，光一个隔离电源成本大概要60左右，感觉太不划算。
信号隔离方案，这个信号隔离器倒是不贵，但是体积比较大。如果我将耦合电感设计到电路板上，一时也找不到一个合适的电感。
第三种方式，我直接排除了，因为在我的项目中引起这个噪声的罪魁祸首就是这个板卡，而这个板卡又是买的第三方的，我改不了。

所以，最后很明确，只有方法一和方法二。
日常生活中，汽车汽车内部的电子设备也是挺多的，而且其只有一个电源（电瓶或者发电机，任何时候只有一个电源工作），其内部那么多的设备也要耗电，其音频方案是怎样的？
当然我们不能去拆了一个汽车，但是可以在网上找找资料。
最终，ROHM的一个芯片进入我的视野——BA3121，对地能动冲放大器。

对地能动冲放大器集成电路是一种能够将地信号的噪声进行放大和抵消，内部框图如下：
![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/201908/6ba01928a2d2d1458c6f114517e79c52.jpg)
	具体的芯片性能，我就不多说了，大家可以下载芯片的数据手册。而我则先在TAOBAO上买了一个个模式试试。
![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/201908/ff3eb4b1eb8a25b04e41cbbe9870326b.jpg)
经过实际的电路搭建，该模块确实能够很好的抑制了环地引起的地信号干扰。注意，这个模块是有源的哦。
下面开始实际电路设计。
![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/201908/30e1f1180f57ffce5736ec16b575f1eb.jpg)
音频芯片我使用的PAM8610，也是音讯的方案。
最终实际布线如下：
![](https://cf04.ickimg.com/bbsimages/201908/79ea4ce8d30c3483fb5893b01e8c2575.jpg)
最后，经过电路板打样和焊接测试，该方案确实能够解决音频环地带来“叮....”的噪声，其和使用信号隔离器的效果是一样的。

[全文完]

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川楠擅长:单片机综合应用硬件设计

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xdsnet 255天前...

在Hifi有一个类似的处理，就是单点接地。

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川楠回复 xdsnet 253天前...

单点接地这个的确是抑制地噪声的一种方式。但是如果出现了环地，那单点接地是搞不定的。基本上只有上文的办法才能搞定。

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