RF電路及其音頻電路的PCB設(shè)計(jì)技巧

RF電路及其音頻電路的PCB設(shè)計(jì)技巧

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圖1給出一個(gè)不合理的音頻元件布局，比較嚴(yán)重的問題有二：其一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)。 如手機(jī)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(shí)，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.其二音頻是放大器放距離揚(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不合理的元件布局示意對音頻信品質(zhì)影響

　　* 合理的元件布局對音頻信號品質(zhì)改善

　　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(jì)能夠全面降低系統(tǒng)噪音，減小RF干擾，并且布線簡單。

　　圖2. 合理的元件布局示意對音頻信號品質(zhì)改善

　　3 、布線原則與技巧

　　在基本完成元器件的布局后，就可開始布線了。

　　3.1 布線的基本原則

　　在組裝密度許可情況下后，盡量選用低密度布線設(shè)計(jì)，并且信號走線盡量粗細(xì)一致，有利于阻抗匹配。

　　對于RF電路，信號線的走向、寬度、線間距的不合理設(shè)計(jì)，可能造成信號信號傳輸線之間的交叉干擾。而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。音頻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(shí)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。另外，系統(tǒng)電源自身還存在噪聲干擾，所以在設(shè)計(jì)RF電路PCB時(shí)一定要綜合考慮，合理布線。

　　3.2 布線技巧

　　布線時(shí)，所有走線應(yīng)遠(yuǎn)離PCB板的邊框（2mm左右），以免PCB板制作時(shí)造成斷線或有斷線的隱患。電源線要盡中能寬，以減少環(huán)路電阻，同時(shí)，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，以提高抗干擾能力；所布信號線應(yīng)盡可能短，并盡量減少過孔數(shù)目；各元器件間的連線越短越好，以減少分布參數(shù)和相互間的電磁干擾；對于不相容的信號線應(yīng)量相互遠(yuǎn)離，而且盡量避免平行走線，而在正向兩面的信號線應(yīng)用互垂直；布線時(shí)在需要拐角的地址方應(yīng)以135°角為宜，避免拐直角。

　　4、接地

　　在射頻電路PCB設(shè)計(jì)中，電源線和地線的正確布線顯得尤其重要，合理的設(shè)計(jì)是克服電磁干擾的最重要的手段。PCB上相當(dāng)多的干擾源是通過電源和地線產(chǎn)生的，其中地線引起的噪聲干擾最大。地線容易形成電磁干擾的主要原因于地線存在阻抗。當(dāng)有電流流過地線時(shí)，就會在地線上產(chǎn)生電壓，從而產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地線的環(huán)路干擾。當(dāng)多個(gè)電路共用一段地線時(shí)，就會形成公共阻抗耦合，從而產(chǎn)生所謂的地線噪聲。因此，在對RF電路PCB的地線進(jìn)行布線時(shí)應(yīng)該做到：

　　*對電路進(jìn)行分塊處理，射頻電路基本上可分成高頻放大、混頻、解調(diào)、本振等部分，要為各個(gè)電路模塊提供一個(gè)公共電位參考點(diǎn)即各模塊電路各自的地線，這樣信號就可以在不同的電路模塊之間傳輸。然后，匯總于射頻電路PCB接入地線的地方，即匯總于總地線。由于只存在一個(gè)參考點(diǎn)，因此沒有公共阻抗耦合存在，從而也就沒有相互干擾問題。

　　*數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)盡可能地線進(jìn)行隔離，并且數(shù)字地與模擬地要分離，最后接于電源地。

　　*在空間允許的情況下，各模塊之間最好能以地線進(jìn)行隔離，防止相互之間的信號耦合效應(yīng)。

　　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。任何系統(tǒng)中接地有兩個(gè)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。這里給出了適用于所有系統(tǒng)的技巧：

　　*為數(shù)字電路建立一個(gè)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。

　　*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(gè)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。

　　*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(dòng)消失，所有地電流都將匯入到這個(gè)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(gè)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。

　　*最大化旁路電容作用。幾乎所有器件都需要一個(gè)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。

　　接地分布的電路板實(shí)例

　　以用于*估超低EMI、1.5W、無濾波D類音頻功率放大器和80mW DirectDriv耳機(jī)放大器MAX9776*估板為例作說明。

　　圖3是一個(gè)具有較好接地分布的電路板實(shí)例(即絲印層和地層舉例),圖3（a）為應(yīng)元件布局A(正)面，圖3（b）為應(yīng)元件布局B(背).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(gè)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(gè)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)。

　　5、結(jié)論

　　以上設(shè)計(jì)良好的PCB是一件耗時(shí)，同時(shí)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(jì)還會改善EMI性能，有可能需要更少的屏蔽。如果PCB不合理，會在測試階段出現(xiàn)本來可以避免的問題。這時(shí)在采取措施的話，可能為時(shí)已晚，很難解決所面臨的問題，需要投入更多的時(shí)間、花費(fèi)更大的精力，有時(shí)還要添加額外的元件，增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

　　如今PCB的技術(shù)主要按電子產(chǎn)品的特性及要求而改變，在近年來電子產(chǎn)品日趨多功能、精巧并符合環(huán)保條例。故此，PCB的精密度日高，其軟硬板結(jié)合應(yīng)用也將增加。