改善蜂窝电话中的音频电路PCB布局方法与PCB抄板的应用
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前言 蜂窝电话是PCB布板工程师所面临的终极挑战，现代蜂窝电话几乎囊括了便携式的所有子系统，每个子系统都有相互矛盾的需求。一个设计完美的PCB必须在充分发挥每个互联设备性能优势的同时，避免子系统之间的相互干扰，因此，对于相互冲突的要求不得不对每个子系统性能进行折中考虑。虽然蜂窝电话的音频功能在持续增加，但给予音频电路PCB布局的关注却很少。 关键词：PCB设计 PCB布板 EMI 蜂窝电话 音频电路 元件布局 任何PCB设计的第一步当然是选择每个元件的PCB摆放位。我们把这一步称为“布板考虑”。仔细的元件布局可以减少信号互连、地线分割、噪音耦合以及占用电路板的面积。 蜂窝电话包含数字电路和模拟电路，为了防止数字噪声对敏感的模拟电路的干扰，必须将二者分隔开。把PCB划分成数字区和模拟区有助于改善此类电路布局。 虽然蜂窝电话的RF部分通常被当作模拟电路处理，许多设计中需要关注的一个共同问题是RF噪声，需要防止RF噪声耦合到音频电路，经过解调后产生可闻噪音。为了解决这个问题，需要把RF电路和音频电路尽可能分隔开。 将PCB划分成模拟、数字和RF区域后，需要考虑模拟部分的元件布置。元件布局要使音频信号的路径最短，音频放大器要尽可能靠近耳机插孔和扬声器放置，使D类音频放大器的EMI辐射最小，耳机信号的耦合噪音最小。模拟音频信号源须尽可能靠近音频放大器的输入端，使输入耦合噪声最小。所有输入引线对RF信号来说都是一个天线，缩短引线长度有助于降低相应频段的天线辐射效应。 元件布置举例 图1给出一个不合理的音频元件布局，比较严重的问题是音频放大器离音频信号源太远，由于引线从嘈杂的数字电路和开关电路附近穿过，从而增加了噪音耦合的几率。较长的引线也增强了RF天线效应。 蜂窝电话采用GSM技术，这些天线能够拾取GSM发射信号，并将其馈入音频放大器。几乎所有放大器都能一定程度上解调217Hz包络，在输出端产生噪音。糟糕时，噪音可能会将音频信号完全淹没掉，缩短输入引线的长度能够有效降低耦合到音频放大器的噪声。 图1所示元件布局还存在另外一个问题：运放距离扬声器和耳机插座太远。如果音频放大器采用的是D类放大器，较长的耳机引线会增大该放大器的EMI辐射。这种辐射有可能导致设备无法通过当地政府制定的测试标准。较长的耳机和麦克风引线还会增大引线阻抗，降低负载能够获取的功率。 最后，因为元件布置得如此分散，元件之间的连线将不得不穿过其它子系统。这不仅会增加音频部分的布线难度，也增大了其它子系统的布线难度。 图1：不合理的元件布局 图2给出了图1相同元件的排列，重新排列的元件能够更有效地利用空间，缩短引线长度。注意，所有音频电路分配在耳机插孔和扬声器附近，音频输入、输出引线比上述方案短得多，PCB的其它区域没有放置音频电路。这样的设计能够全面降低系统噪音，减小RF干扰，并且布线简单。 图2：蜂窝电话的一个合理布局方案 信号通路 信号通路对音频输出噪音和失真的影响非常有限，也就是说为了保证性能需要提供的折中措施很有限。 扬声器放大器通常由电池直接供电，需要相当大的电流。如果使用长而细的电源引线，会增大电源纹波。与短而宽的引线相比，又长又细的引线阻抗较大，引线阻抗产生的电流变化会转变成电压变化，馈送到器件内部。为了优化性能，放大器电源应使用尽可能短的引线。 应该尽可能使用差分信号。差分输入具有较高的噪声抑制，使得差分接收器能够抑制正、负信号线上的共模噪声。为充分利用差分放大器的优势，布线时保持相同的差分信号线对的长度非常重要，使其具有相同的阻抗，二者尽可能相互靠近使其耦合噪声相同。放大器的差分输入对抑制来自系统数字电路的噪声非常有效。 接地 对于音频电路,接地对于是否能够达到音频系统的性能要求至关重要。不合理地线会导致较大的信号失真，产生高噪声、强干扰，并降低RF抑制能力。设计人员很难在地线布局上投入大量时间，但仔细的地线布置能够避免许多棘手问题。 任何系统中接地有两个重要考虑：首先它是流过器件的电流返回路径，其次是数字和模拟电路的参考电位。保证地线任意一点的电压相同看似简单，实际则是不可能的。所有引线都具有阻抗，只要地线有电流流过，就会产生相应的压降。电路引线还会形成电感，这意味着电流从电池流向负载，然后返回电池，在整个电流通道上存在一定的电感。工作在较高频率时，电感将增大地线阻抗。 为特定的系统设计最佳的地线布局并不简单，这里给出了适用于所有系统的一般性规则。 1.为数字电路建立一个连续的地平面 地层的数字电流通过信号路径返回，该环路的面积应保持最小，以降低天线效应和寄生电感。确保所有数字 |
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