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:音频耦合电容容值大小如何确定

对于硬件工程师来说，或多或少都会接触到音频电路，其中的耦合电容是少不了的了。

提到这个耦合电容，大家都能知道其作用是隔直通交。然而我们发现不同的电路中，这个电容的取值还不尽相同，其差异是相当大的，小点的借0.1uF，大点的都接到了100uF。

那么问题来了，既然都是音频，频率范围一样，20hz-20Khz，耦合电容不能统一下吗？

自然是不能统一的，不然的话岂不早就统一了。那么这些电容值是怎么来的呢？主要跟后级输入阻抗有关系，如下图：

耦合电容与后级形成了一个RC高通滤波器，正常情况下，我们需要音频的各个频率分量经过耦合之后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

，如果后级是音频放大器，那么R就是放大器的输入阻抗，R的值在芯片选定之后，一般是没有办法去更改的，因此能选择的就只有C的值了。

之所以我们会看到各种各样的音频耦合电容的值，就是因为后级的输入阻抗的不同。

以下图TI的音频芯片TLV320AIC3254为例：

麦克风接入的耦合电容是0.1uF，而耳机耦合电容是47uF。

上图IN1和IN2接的是麦克风，拾取人声，有效频率为300hz-3.4Khz，最低为300Hz。查看TLV320AIC3254的规格书可知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得截止频率为159.2Hz。所以0.1uF电容是合理的。

耳机输出端接的是耳机，耳机的阻抗一般为16Ω，32Ω或64Ω。以R=16Ω，C=47uF计算得截止频率为211.7Hz，也是小于300hz的。这也是为什么接耳机输出要选择这么大电容的原因。

所以，在设计电路的时候，音频耦合电容的值的选取可以这么计算：

第一，确定传输信号的最低有效频率F；

第二，确定后级电路的输入阻抗R；

第三，根据

f=1/2πRC

算得C的值；

第四，根据算得C的值选择合适的电容值，一般实际选用的电容值比C大些为好。毕竟截止频率处也是衰减3db的，而且电容一般有20%的偏差。

PART2:音频地环路造成的噪声分析

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。

什么是地环路

顾名思义，接地环路是系统接地方案中的一个物理闭合环路，产生于电路之间的多个接地路径。

地环路是如何形成的

供电及屏蔽造成

如上图，红色为供电线，黑色为地线。设备1和设备2音频互联，之间接了屏蔽线，地第一次拉通。设备2同时还要给设备1供电，电源地线也拉通，造成了上图黑色的接GND环路。

举个应用场景的例子：音频放大器与PC之间接了2条线，一条线通过USB供电，另一条线为3.5mm接头的耳机接头线。这样连接可能就有噪声。

220V接GND线和屏蔽线造成

如上图，设备一和设备2都有自己的独立供电系统，本来Device1和Device之间只有屏蔽线互相接GND，但是因为都接到了220V电源，所有又构成了如上图红色的地环路。

总之，很多复杂的应用场景都可能产生环地，再举个例子，有的产品是金属外壳的，PCB板都通过螺丝孔接到金属外壳，也会形成地环路。

地环路如何引入噪声

地环路为什么会引入噪声呢？笔者认为有2个原因

一是天线效应：因为地环路可以充当一个大的环路天线，从环境中拾取噪声，并在地环路上产生电流。地也是由导线构成的，不是超导体，会有地电阻，地电感，电流流过必然会产生电压。这个电压就是噪声了，经过接收设备的放大，这个噪声就是很可观的了，有时会造成完全无法使用。值得提一下的是：交流电源的50/60 Hz磁场是接地环路拾取的常见噪声源。人类的耳朵能听到的声音频率范围为20Hz～20000Hz，所以50Hz的噪声是可以被听到的。

二是电源分流：对于共用电源的情况，正常情况下，我们理想的是音频信号的返回路径为音频的GND线（屏蔽线），电源的回流路径为电源地线。然而电路哪可能这么听话，既然因为形成地环路，那么电源回流就可以从音频的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，产生的噪声也不大，毕竟音频是一个交流的信号，如果分流的电流是恒定的，那也不会产生交流的信号。而大部分真是的情况是，电流因为设备每时每刻用电的不同，也是一个交流的信号，因此音频地线上分得的电流也是一个交流的信号，也就会形成音频频率范围的噪声了。

如何解决地环路噪声

A、使用音频隔离变压器：这个方式断开了地环路

屏蔽层单点接GND：很多音频线都是两边都接了GND，条件允许的话可以在一头接GND，另外一头断开。这种方式也断开了地环路。
采用GLB电路：音频信号端的地线通过一个小电阻与大地相连。具体原理详见TI文档《TI Ground Loop Break Circuits and Their Operation.pdf》，公众号回复“GLB”，可获得该文档。此方法的原理是增大了地环路的阻抗，并让噪声主要落在那个小电阻上面----适用于信号SGND和功率PGND分开的电路。

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