STM32F4を使ったデジタルオーディオプレーヤー / ハードウエア / 基板その１ / ノイズ対策

ノイズ †

• STM32F4を使ったデジタルオーディオプレーヤー/ハードウエア/基板その１で発生するノイズへの対策。
• SDカードのアクセスが回り込んでいる。
  • 試しけど、効き目のなかったもの
    • L2 を L3 チップ部品から、金属皮膜抵抗と同じ形状の物に交換したけど、効果なし。
    • +5VとAGNDの間に、0.1uFを入れても効き目なし。
    • C14と平行に 22uF を入れても効き目なし。
    • システムクロックとmicroSDの読み出しクロックを可能な限り下げたが、ノイズの音程は変化したが、ノイズは残ったまま。
    • L2とL3を外し、デジタル側の電源をUSBから与え、アナログ側は単四電池から供給してもノイズが乗るかチェック。電源を別にするとノイズは激減。
    • C31とC32のそれぞれに平行に0.1uFを入れる。効き目なし。
  • AUX出力を別途ヘッドホンアンプに接続して、それでもノイズが乗るかチェック。
    • 全くノイズが乗らず、すごく良い音になる。
  • まだ試していないが、試すべきもの。
    • 最終段アンプのゲインを下げる。

2012.05.12 ノイズ対策テスト †

• 上図の上、一段フィルターの時、
  • インダクタが、チップ抵抗の時は、効き目が無い。
  • インダクタが、フェライトコアだと、そもそも動作しない。
  • インダクタが100μH、コンデンサーが1000μFだと、かなりノイズが減る。注別のノイズがある
    • インダクタが同じ100μHでも、コンデンサーが47μFや220μFだとノイズが残っている。
    • それ以外のコンデンサーは手元に無かったので確認していない。
• 上図の下、二段フィルターの時、
  • インダクタが100μH、コンデンサーが1000μFだと、かなりノイズが減る。注別のノイズがある
    • 一段フィルターに比べ、優位だと思うが、どこまで優位か良く判らない。

別のノイズがある †

• 100μH ＋ 1000μF だと、高いノイズは減る。が、もう少し低いノイズ（ホワイトノイズ的）が残っている。
• LC回路の共振周波数は、F = 1 / ｛2π sqrt(L C)｝ なので、100μH ＋ 1000μF だと F=503Hz。
• だから、低い周波数のノイズが残っていても当然。コンデンサーやインダクタを100倍くらいにする必要がある。
• ノイズフィルターを2段にしても、高周波域での減衰が減るだけで、周波数は余りかわらない。

• 考察
  • ノイズ源は、SDIOへのアクセス
  • SDIOのクロックは、12.8〜48MHzと極めて高い。
  • 読み出しは、（44.1kHz×16ビット×2チャンネル）÷（512バイト×8ビット）＝ 334Hz
    • 512バイトは読み出し用バッファ。
  • 従って、ノイズは、「12.8〜48MHzの高周波」と「334Hzおよび、その逓倍波」である。
  • ノイズフィルターは、500Hz位の特性。従って、「12.8〜48MHzの高周波」と「334Hzの逓倍波」のカットは可能。
  • しかし、「334Hzは通す。」
  • 対策として、ノイズフィルターの特性を下げる事が考えられる。具体的には30Hz以下を狙うとすると、コンデンサーとインダクタを積で280倍にする必要がある。
    • 今でも、携帯用としては大きすぎるのに、これ以上大きくするのは嫌だ。
  • 一瞬、読み出し用バッファを増やせば良いかと思ったけど、逆。増やすと発生するノイズ周波数が逆に低くなってしまう。
  • そもそも、この334Hzのノイズは SDIO へのアクセス時に SDIO および CPU の消費電力が増えているのが、原因。
    • 図のような回路で考えると、SDIO および CPU の消費電力が増えると、レギュレーターが頑張って、赤い線のように電流を流し、電源電圧の低下を防ぐ。
    • しかし、今回の場合、このレギュレーターの頑張りが、比較的低周波のノイズを生んでいる。
    • TAR5S33のデータシートの6ページの右下の図を見ると、C23にあたるコンデンサーが0.01μFの時、1ms程度の応答速度があるようだ。これを逆算すると、1kHz程度の周波数特性を持つローパスフィルターとなる。つまり、334Hzのノイズは、アナログ側にダダ漏れなのだ。
    • C23を1μFにすると、応答速度が50ms程度、つまり、20Hz程度になる。これなら、334Hzのノイズは、アナログ側に漏れない。
    • 可能なら、C23を2μF以上にしたい。こうすれば、カットオフ周波数が可聴領域以下になる。しかし、データシートでは、0.0047μF以上の指定はあるが、上限は無い。グラフに1μFの特性が載っているから、1μFは良いのだろう。手持ちで、1μFより大きくて、最も小さいコンデンサーは、22μFだったので、試しに付けたら、CPUが起動しなかった。
    • 手持ちで、0.0047μF〜1μFの範囲で最も大きいコンデンサーは、0.1μFだったので試しに付けたら、正常動作はする。ノイズは余り変わらない。まあ、カットオフ200Hz位だし、334Hzでは、あまり落せないので、当然だろう。

2012.05.14 ノイズ対策 †

• ノイズ対策としては、C23に1μFと1000μH×２＋470μFの一段フィルターで、それなりに満足。

2012.05.19 ノイズ対策追記 †

• 空中配線で一段フィルター作っていた時は、ノイズが無くなったが、ケースに押しこむと少し出ている。
• 1000μH×２＋470μFの一段フィルターだと、CPU速度を84MHzだと起動しない。24MHzだと起動する。100μH×２＋1000μFの一段フィルターだと起動するから、起動しないのは、1000μHの内部抵抗が大きすぎるんだろう。