巧妙的線路板布線改善蜂窩電話的音質(zhì)

摘要：本文討論了蜂窩電話PCB設(shè)計中影響音頻特性的關(guān)鍵因素。文中給出了一個有問題的蜂窩電話PCB設(shè)計和一個良好的PCB布板方案。通過對兩種布板的對比強(qiáng)調(diào)了改善音頻性能的設(shè)計考慮。

引言

蜂窩電話是PCB布板工程師所面臨的終極挑戰(zhàn)，現(xiàn)代蜂窩電話幾乎囊括了便攜式的所有子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都有相互矛盾的需求。一個設(shè)計完美的PCB必須在充分發(fā)揮每個互聯(lián)設(shè)備性能優(yōu)勢的同時，避免子系統(tǒng)之間的相互干擾，因此，對于相互沖突的要求不得不對每個子系統(tǒng)性能進(jìn)行折中考慮。雖然蜂窩電話的音頻功能在持續(xù)增加，但給予音頻電路PCB布局的關(guān)注卻很少。

元件布局

任何PCB設(shè)計的第一步當(dāng)然是選擇每個元件的PCB擺放位。我們把這一步稱為“布板考慮”。仔細(xì)的元件布局可以減少信號互連、地線分割、噪音耦合以及占用電路板的面積。

蜂窩電話包含數(shù)字電路和模擬電路，為了防止數(shù)字噪聲對敏感的模擬電路的干擾，必須將二者分隔開。把PCB劃分成數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)有助于改善此類電路布局。

雖然蜂窩電話的RF部分通常被當(dāng)作模擬電路處理，許多設(shè)計中需要關(guān)注的一個共同問題是RF噪聲，需要防止RF噪聲耦合到音頻電路，經(jīng)過解調(diào)后產(chǎn)生可聞噪音。為了解決這個問題，需要把RF電路和音頻電路盡可能分隔開。

將PCB劃分成模擬、數(shù)字和RF區(qū)域后，需要考慮模擬部分的元件布置。元件布局要使音頻信號的路徑最短，音頻放大器要盡可能靠近耳機(jī)插孔和揚(yáng)聲器放置，使D類音頻放大器的EMI輻射最小，耳機(jī)信號的耦合噪音最小。模擬音頻信號源須盡可能靠近音頻放大器的輸入端，使輸入耦合噪聲最小。所有輸入引線對RF信號來說都是一個天線，縮短引線長度有助于降低相應(yīng)頻段的天線輻射效應(yīng)。

元件布置舉例

圖1給出一個不合理的音頻元件布局，比較嚴(yán)重的問題是音頻放大器離音頻信號源太遠(yuǎn)，由于引線從嘈雜的數(shù)字電路和開關(guān)電路附近穿過，從而增加了噪音耦合的幾率。較長的引線也增強(qiáng)了RF天線效應(yīng)。 蜂窩電話采用GSM技術(shù)，這些天線能夠拾取GSM發(fā)射信號，并將其饋入音頻放大器。幾乎所有放大器都能一定程度上解調(diào)217Hz包絡(luò)，在輸出端產(chǎn)生噪音。糟糕時，噪音可能會將音頻信號完全淹沒掉，縮短輸入引線的長度能夠有效降低耦合到音頻放大器的噪聲。

圖1所示元件布局還存在另外一個問題：運(yùn)放距離揚(yáng)聲器和耳機(jī)插座太遠(yuǎn)。如果音頻放大器采用的是D類放大器，較長的耳機(jī)引線會增大該放大器的EMI輻射。這種輻射有可能導(dǎo)致設(shè)備無法通過當(dāng)?shù)卣贫ǖ臏y試標(biāo)準(zhǔn)。較長的耳機(jī)和麥克風(fēng)引線還會增大引線阻抗，降低負(fù)載能夠獲取的功率。

最后，因?yàn)樵贾玫萌绱朔稚ⅲg的連線將不得不穿過其它子系統(tǒng)。這不僅會增加音頻部分的布線難度，也增大了其它子系統(tǒng)的布線難度。


圖1. 不合理的元件布局

圖2給出了圖1相同元件的排列，重新排列的元件能夠更有效地利用空間，縮短引線長度。注意，所有音頻電路分配在耳機(jī)插孔和揚(yáng)聲器附近，音頻輸入、輸出引線比上述方案短得多，PCB的其它區(qū)域沒有放置音頻電路。這樣的設(shè)計能夠全面降低系統(tǒng)噪音，減小RF干擾，并且布線簡單。


圖2. 蜂窩電話的一個合理布局方案

信號通路

信號通路對音頻輸出噪音和失真的影響非常有限，也就是說為了保證性能需要提供的折中措施很有限。

揚(yáng)聲器放大器通常由電池直接供電，需要相當(dāng)大的電流。如果使用長而細(xì)的電源引線，會增大電源紋波。與短而寬的引線相比，又長又細(xì)的引線阻抗較大，引線阻抗產(chǎn)生的電流變化會轉(zhuǎn)變成電壓變化，饋送到器件內(nèi)部。為了優(yōu)化性能，放大器電源應(yīng)使用盡可能短的引線。

應(yīng)該盡可能使用差分信號。差分輸入具有較高的噪聲抑制，使得差分接收器能夠抑制正、負(fù)信號線上的共模噪聲。為充分利用差分放大器的優(yōu)勢，布線時保持相同的差分信號線對的長度非常重要，使其具有相同的阻抗，二者盡可能相互靠近使其耦合噪聲相同。放大器的差分輸入對抑制來自系統(tǒng)數(shù)字電路的噪聲非常有效。

接地

對于音頻電路,接地對于是否能夠達(dá)到音頻系統(tǒng)的性能要求至關(guān)重要。不合理地線會導(dǎo)致較大的信號失真，產(chǎn)生高噪聲、強(qiáng)干擾，并降低RF抑制能力。設(shè)計人員很難在地線布局上投入大量時間，但仔細(xì)的地線布置能夠避免許多棘手問題。

任何系統(tǒng)中接地有兩個重要考慮：首先它是流過器件的電流返回路徑，其次是數(shù)字和模擬電路的參考電位。保證地線任意一點(diǎn)的電壓相同看似簡單，實(shí)際則是不可能的。所有引線都具有阻抗，只要地線有電流流過，就會產(chǎn)生相應(yīng)的壓降。電路引線還會形成電感，這意味著電流從電池流向負(fù)載，然后返回電池，在整個電流通道上存在一定的電感。工作在較高頻率時，電感將增大地線阻抗。

為特定的系統(tǒng)設(shè)計最佳的地線布局并不簡單，這里給出了適用于所有系統(tǒng)的一般性規(guī)則。

1. 為數(shù)字電路建立一個連續(xù)的地平面
   地層的數(shù)字電流通過信號路徑返回，該環(huán)路的面積應(yīng)保持最小，以降低天線效應(yīng)和寄生電感。確保所有數(shù)字信號引線具有對應(yīng)的接地通路，這一層應(yīng)該與數(shù)字信號引線覆蓋相同的面積，具有盡可能少的斷點(diǎn)。地層的斷點(diǎn)，包括過孔，會使地電流流過更大的環(huán)路，因而產(chǎn)生更大的輻射和噪聲。
2. 保證地電流隔離
   數(shù)字電路和模擬電路的地電流要保持隔離，以阻止數(shù)字電流對模擬電路的干擾。為了達(dá)到這一目標(biāo)，需要正確排列元件。如果把模擬電路布置在PCB的一個區(qū)域，把數(shù)字電路布置在另一區(qū)域，地電流會自然隔離開。最好使模擬電路具有獨(dú)立的PCB分層。
3. 模擬電路采用星形接地
   星形接地是將PCB的一點(diǎn)看作公共接地點(diǎn)，而且只有這一點(diǎn)被當(dāng)作地電位，蜂窩電話中，電池地端通常被作為星形接地點(diǎn)，流入地平面的電流不會自動消失，所有地電流都將匯入到這個接地點(diǎn)。
   
   音頻放大器吸收相當(dāng)大的電流，這會影響電路本身的參考地和其它系統(tǒng)的參考地。為了解決這一問題，最好提供一個專用的返回回路橋接放大器的功率地和耳機(jī)插孔的地回路。注意，這些專用的回路不要穿越數(shù)字信號線，因?yàn)樗鼈儠璧K數(shù)字返回電流。
4. 最大化旁路電容作用
   幾乎所有器件都需要一個旁路電容，以提供電源不能提供的瞬態(tài)電流。這些電容需盡可能靠近電源引腳放置，以減少電容和器件引腳之間的寄生電感，電感會降低旁路電容的作用。另外，電容必需具有較低的接地阻抗，從而降低電容的高頻阻抗。電容的接地引腳應(yīng)直接到接層，不要通過一段引線后接地。
5. 將所有不使用的PCB區(qū)域覆銅，作為地層
   兩片銅箔彼此靠近時，它們之間就會形成一個小的耦合電容。在信號線附近布上地線，信號線上的高頻噪聲會被短路到地層。

接地實(shí)例

圖3是一個具有較好接地分布的電路板實(shí)例，首先需要注意PCB底部為數(shù)字區(qū)域，頂部為模擬區(qū)域。穿越區(qū)域邊界的唯一信號線是I2C控制信號，這些信號線有一個直接的返回路徑，確保數(shù)字信號只存在于數(shù)字區(qū)域，沒有地層分割導(dǎo)致的數(shù)字地電流。還要注意大部分地平面是連續(xù)的，即使數(shù)字區(qū)域有一些中斷，但彼此之間的距離足夠遠(yuǎn)，保證了電流通道的順暢。

在這個例子中，星形接地點(diǎn)在PCB頂層的左上角。模擬地層的斷點(diǎn)確保D類放大器和電荷泵的電流直接返回星形接地點(diǎn)，不會干擾其它模擬層。另外，還需注意耳機(jī)插孔有一條引線直接將耳機(jī)地電流返回到星形接地點(diǎn)。


圖3. 絲印層和地層舉例

結(jié)論

設(shè)計良好的PCB是一件耗時，同時也是極具挑戰(zhàn)性的工作，但這種投入也的確是值得的。好的PCB布局有助于降低系統(tǒng)噪音，提高RF信號的抑制能力，減小信號失真。好的PCB設(shè)計還會改善EMI性能，有可能需要更少的屏蔽。