音效卡電路設計探索(一)
作者是蔡书宗，为一资深的杂志专栏作家。过去在 PC Magazine 中文版杂志中，许多提及声卡以及音响喇叭等相关电路的文章，就是出自书宗兄之手
声卡是计算机发声的重要环节，其所提供的 3D 音效环境支持，与最后的声音输出入品质，是计算机娱乐环境的重要角色。笔者不做电玩游戏支持性能或拨放软件的介绍，让我们以不同于使用感观报告的角度，来了解声卡硬件设计上要克服的难题与造成品质差异的真正缘由。
充满干扰的工作环境
计算机内部是不同于传统音响机器的工作环境，声卡得助于开放性 PC 计算机设计而大量普及，但讽刺的是 PC 的设计方式也是声卡声音品质攀升时所遭遇的最大障碍。
传统音响机器大部分是单纯的模拟数字电路组合，大略可区分为讯源、前级、后级部分，机器有很优良屏遮的封装外壳，电路功能各有其所司，可以有效控制电路上影响声音的变量，取得设计目标中的最好声音品质。
声卡的情况就比较暧昧，电路板上集合了所有的模拟数字电路，因为电路板面积有限，不可能针对单一讯号信道实行地线屏遮设计，也不可能用上体型较庞大的电感、电容零件，来阻绝交换式电源供应器固有的脉波噪声，当然声音品质会大打折扣。更因为要安装在计算机机壳里，所以是一张没有屏遮外壳的裸卡，一开机就要接受其它计算机组件的高频率脉波干扰。
要对外来干扰很敏感的模拟数字混合信号 ic 工作在这种环境中，并保持高水平的声音输出品质，说实在话是有很高难度的，所花费的设计心力更是数倍于单纯的模拟或数字电路。
交换式电源是声卡的大敌
PC 计算机使用的是交换式电源，采用的理由是基于效率考量，电路效率高可以缩小体积并减少电能的损耗，完全合乎现在工业产品的设计要求。
不幸的是这种高效率电路设计，以调整方波产生速度与脉波宽度来控制电压输出数值，而目前晶体管产品在高速的切换工作状态时，除了输出预期的电力波形外，还会免费附送无法预期的间歇性突波波形，让设计人员十分地头痛。
声卡直接由 ISA 或 PCI 插槽取用电源，当然也必须承受这种间歇性电源突波干扰，设计者也意识到这种干扰，在声卡上加上一个简单的滤波设计与稳压电路，让相关数字音效芯片与模拟电路工作在一个相对稳定的状况里。
相对稳定的意义，是把电源供应器所输出的电力噪声，在其进入声卡电路之前以电路设计技术更进一步降低，保证最后模拟声音有一定水准的输出品质。
计算机时脉频率不利于声卡的音质
方波时脉是计算机高效能的关键，也是数字世界里掌控一切的根本，不过事物一向是一体两面的，数字世界里的善神，到了模拟世界里，却成了人人痛恨的恶魔。
我们听到的模拟声音波形，基本上是由不同频率与振幅不一的正弦波所组成，一点点频率振幅改变所造成的音质差别，人耳都能清楚的分辨出来，因此在电路应用上，我们说正弦波对外来噪声干扰的防御能力是最为脆弱的。
方波的情况刚好相反，不管是抗干扰的能力与振幅的容裕度，方波都是上上之选，这是方波所带来的善。而方波高度抗干扰能力的事实背后，是方波在整个波形频谱里有着很坚实的能量分布，可以轻易地加载到其它电力波形上，造成方波极为容易变成其它波形的干扰来源，这是方波所带来的恶。
今天 PC 的设计方式，让这二种波形同时存在于同一个机壳之中，结果是我们要投入大量的技术与成本，来避免模拟弦波遭受到方波时脉的不良影响。正当显示卡以越来越复杂的输出滤波设计，保持住更优异的模拟影像输出品质时，声卡设计上的粗心大意，其实也是设计者与使用者应该注意到的细节要求。
马达也是损害声音品质的祸首
计算机里使用为数不少的各式马达，而马达噪音又是人耳最容易感觉到的干扰，其中风扇的高频率风切声与硬盘、光驱马达高速运转的高频率磨擦声，这种声音干扰除了破坏喇吧、耳机声音的成音品质外，长时间听闻这种高频磨擦声更会让人产生身体的不舒适感，进一步破坏我们的生活品质。
原因要归咎于 PC 机壳的简陋设计，无法将种种马达的运转音量衰减到一定的音压以下，更惨的是内部空旷方便安装计算机组件的机壳设计，会进一步共振放大这些不需要的声音，干扰情况真的是到了让人发指的地步。另一个不可原谅的错误，是厂商在一般家用计算机里不当使用工业等级产品，工业等级的风扇产品注重散热效能，但对噪音的防治标准比较宽松，算不上是优良的家用计算机零组件。
马达工作时会发出电力突波干扰波形，回流加载到直流电力波形上，变成直流电源的另一个干扰来源，让直流电的供电品质进一步降低，而最让人气结的是厂商认为这对数字电路工作状况的影响很小，小到可以忽略的地步，所以鲜少有厂商的产品数据上，会列出马达组件的突波干扰量数据。
刻意视而不见不表示事实是不存在的，计算机里的其它模拟电路正饱受劣化输出品质的折磨，使用者天天在看的屏幕画面，常常在听的音乐与游戏声音效果，最后输出都是属于模拟范围的，而恶劣的输出品质所伤害的，是我们宝贵的视觉与听觉能力。
令设计者无力的制作预算
有工作经验的读者应该可以了解这种难度挑战，产品生产前会有设定目标市场与利润要求的动作，依据这个设定目标来选择产品的设计与制作方式，进一步精算出所有零件价格与人工成本，决定出整个产品的制作预算。
这个制作预算可高可低，最大差别在于零件用料品质的高低与电路 PCB 设计测试时程，在一片三、四百元整体成本的声卡身上，是绝对找不到一颗几百元的音效芯片，也不可能采用非低价导向的高价优质 A/D D/A 信号转换芯片，更别说用量数目不少的电容电阻零件，绝不可能用上高价质优的名牌货色，产品声音品质当然是维持在那个价格等级里。
更节省成本的方法，则是使用音效芯片厂商提供的公板电路与 LAYOUT 完成的 PCB 板，找好代工的 OEM 厂商直接投单生产就是，并直接使用芯片厂提供的相关软件，这几乎不需要自己的开发设计时程，一样可以完成一个低价但完成度很高的产品。这是多媒体产品通路商眼中的「超值」商品，有知名厂商的技术保证与原厂支持，但却有着一个充满强烈 COST DOWN 的思考。
所以当读者发现自己买到的声卡，其实没有想象中超值，让你十分气愤时，请记得这个现实世界的商业定律，利润是维持商业机制运作的根本，产品的价值永远是来自于产品本身，不是原厂技术标竿这个光环，也不是其它与技术无关的言语加持。
设计者使用有争议的电路设计
这种过失是无法事后补救的，设计者各自为政的独立研发电路方块，完全不考虑所有电路整合后的工作状况，而一昧将无法达到测试标准的过错，归咎到 PC 计算机电源的先天性突波干扰与『高时脉』运作环境的身上。更可怕的是在具知识传播责任的文稿写作者认知里，不去认识电路架构的真正运作原理与排除干扰的方法，认定高时脉就一定代表着高度的干扰能量，造成这种似是实非的观念被进一步传播。
声卡上用的是数字模拟混合信号电路，设计上的最重要工作是有效隔离数字模拟信号间的感应噪声与外来干扰，这些干扰的主要来源在哪里？是电路芯片本身与电源供应品质，芯片内部我们不可能改变其设计，能做的是芯片外部的干扰排除与电路的合理化配置。
笔者仔细观察过众多声卡电路设计，在攸关最后输出入品质的 A/D D/A 信号转换芯片，芯片厂商分别设计了数字部分与模拟部分的电源供应脚位，并在设计资料里示范了不同的电源处理方式，但到了无良生产厂商手里，模拟数字电源脚位取用同一个电源供应来源，二个脚位之间是电路铜箔直接连接，根本没有任何的最佳化设计，让信号转换电路在未受外来噪声干扰前，宝贵的输出品质就已在内乱之中耗损殆尽。
最后一个阶段的模拟放大电路，更是常常出现让笔者掷笔三叹的怪异设计，模拟输出部分的电路其实很简洁，大部分设计是 OP 组成的标准反相放大电路，除了 OP 本身的素质与相关电容电阻零件的品质选择之外，能做文章的也只有电源供应的处理方式，该注意的是滤波电容量的选择与反交连电容的适当配置。
不过笔者看到的 COST DOWN 设计方式，是信号转换芯片所用的 5V 稳压电路直接取用模拟放大电路的正电压来处理，造成供应 OP 正负电压的电路路径上流通的电流是不平衡的，也就是正电压路径比负电压路径多负担了信号转换芯片所需的电流，设计者绝对清楚这个状况，把正电压路径上的电感电阻数值拉低，让正负电压路径的不同大小电流，在数值不同且差异不小的电感电阻上产生了大约一致的电压降，让 OP 工作在正负电压还能平衡的状态。
OP 是一种很容易应用的集成电路，但也非常容易反应出设计不良的缺陷，当 OP 正负电源不平衡时，OP 电路其实还是可以运作的，笔者提到的设计案例，该声卡在一般输出音量电平上没有遇到太大的问题，只有在大动态音压出现时会产生一些爆音，原因在于正电压路径的电感电阻产生过大的电压降，造成整体电路工作状态过分不平衡所致。
笔者一直想不出一个简单的理由，多拉一条三四公分的电路板铜箔来送电，所增加的成本是非常低的，即可让信号转换芯片使用独立的电源路径，有效解除模拟放大电路工作状态被扭曲的情况，为何要坚持这种让人莫名其妙的电路设计呢？掷笔再叹。
单一测试数据难以完全反应声音品质
这是声卡设计者会遇到的两难问题，不同的思考方式完全左右了音效产品的声音走向。电路设计与零件制造有标准知识可供参考，一个电路与零件稳定与否，当然也有标准的测试方式来检验，关键在于对测试精度的要求，与使设计合于要求数据的修正方式，而设计者对电路设计所作的修正量，则取决于整个测试环境的设置方式，零件的选择方式则是建立在对测试数据的解读与价格要求。
目前的声卡设计是依循 AC97 规格在走，AC97 中明定基本的频谱振幅分布、讯号噪声比与讯号失真率要求，乍看之下，声卡的输出品质只要达到这个要求数据，应该都能达成一定的要求水准，但事实是测试数据十分接近的声卡，却有着完全二回事的声音，所呈现的差异会大到让人用力思考质疑测试数据的解释意义。
晶体管电路芯片要达成整个声音频谱振幅的平均分布是非常容易的，除非是设计上故意对某频段作一定程度的衰减，这时所牵涉的除了数据还包含设计者对声音的认知，也就是设计者要决定零件数值品质让这个设计输出什么样的声音，在人耳能听闻的 20Hz 至 20KHz 的频谱分布之中，正负 1.2 dB 与正负 0.5 dB 的误差看起来差别不大，但对高音所形成的空间感觉是完全不同的，形成不同衰减斜率则决定在音效芯片本身、模拟放大用 OP 的速度与电阻电容构成的衰减电路。
讯号噪声比一般是以 1KHz 基准频率来量测一个代表数值，事实上模拟放大电路在不同频率所呈现的讯号噪声比是不一样的，就笔者接触操作过的生产用检测仪器，音响机器制造的 QC 检测过程并不是单单测量 1KHz 这一个频率点，而是查看数个或十数个频率点所呈现的个别讯号噪声比，以确定所有零组件都是正确的工作状态。
讯号失真率一般是以 1KHz 基准频率与奇次谐波平均最大值的比例来作为代表数值，真实状况的讯号失真情况更是复杂，除了模拟放大电路在不同频率会呈现不同的失真率数值，单单改变一个零件的数值品质，也会引起的失真方式的大变动，这时依靠数据不一定能选出最适用的零件，反而是有长久音乐聆听经验的耳力，有更大的机会选出最适用零件，这是一种很个人化的经验值，也很难以文字解说方式传承下去。
消费者暧昧不明的使用习惯
这个原因也是造成设计者万分无奈的主因，笔者愿意相信设计者都有一定水准的电路知识与设计能力，但当一个产品曲高和寡无法销售出去时，为了自己的饭碗与公司的营运，设计者也会失去立场方向，完全被市场牵着鼻子走。
声卡消费者有几种不同类型，只要求声卡能听到声音的为最大数，愿意付出更多金钱要求一定品质的为相对少数，不惜代价追求极高品质的为稀有族群，整个消费方式呈现金字塔型分布，最低层的分布数量可能高达百分之八十以上。这时读者认为台湾以 OEM 起家的厂商，是会注重那一个消费市场呢？当然是消费需求中最大宗的低价产品。
就笔者的长期观察，在金字塔底层的消费者，有着拿低价产品梦想高价产品品质的怪异现象，一分钱一分货是再正常不过的商业型态，一分钱二分货则是可遇不可求，那么一分钱十分货是什么情况呢，实话告诉你吧，那叫做天方夜谭，是童话故事里才有的情节。
也就是为了迎合这种暧昧不明的使用习惯，厂商会写出模拟两可广告词来追求产品的加值与销售量，杂志作者则是写出让人看不出产品好坏的使用报告，没有人愿意站出来说实话犯众怒，让这种纯粹言语加持的失真越演越烈。爱屋及乌的心态人人会有，但请仔细认清产品的设计用心与品质表现，是不是真正值得用辛苦的血汗钱来支持。
另一个该归咎于消费者的疏失，是对 PC 计算机组装的心态与认知。 PC 是有标准规范的开放性设计，运算效能、视讯品质与音效环境的升级工作并不难，所以大部分消费者会自行换装声卡来改善音效环境。单单换装声卡可以全面升级音效环境吗，答案可不是绝对肯定的，声卡担任的是讯号源角色，真正发出声音的是耳机或喇叭，声卡与耳机喇叭的合适搭配是关注重点。
音乐 CD 的拨放、DVD 多声道环境与 3D 电玩音效环境需要硬软件配合，计算机不像单一影音机器或电玩主机能独立进行影像音效输出工作，没有适当软件来驱动操控硬件装置，根本不可能有 3D 音效的呈现，选择适用的系统作业平台，也是不容忽视的一环。
