巧妙的線路板布線改善蜂窩電話的音質

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

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。一個設計完美的PCB必須在充分發(fā)揮每個互聯(lián)設備性能優(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布局的關注卻很少。

元件布局

任何PCB設計的第一步當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部分通常被當作模擬電路處理，許多設計中需要關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插孔和揚聲器放置，使D類音頻放大器的EMI輻射最小，耳機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頻段的天線輻射效應。

元件布置舉例

圖1給出一個不合理的音頻元件布局，比較嚴重的問題是音頻放大器離音頻信號源太遠，由于引線從嘈雜的數(shù)字電路和開關電路附近穿過，從而增加了噪音耦合的幾率。較長的引線也增強了RF天線效應。 蜂窩電話采用GSM技術，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217Hz包絡，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：運放距離揚聲器和耳機插座太遠。如果音頻放大器采用的是D類放大器，較長的耳機引線會增大該放大器的EMI輻射。這種輻射有可能導致設備無法通過當?shù)卣贫ǖ臏y試標準。較長的耳機和麥克風引線還會增大引線阻抗，降低負載能夠獲取的功率。

最后，因為元件布置得如此分散，元件之間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插孔和揚聲器附近，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。

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

應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到音頻系統(tǒng)的性能要求至關重要。不合理地線會導致較大的信號失真，產(chǎn)生高噪聲、強干擾，并降低RF抑制能力。設計人員很難在地線布局上投入大量時間，但仔細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。保證地線任意一點的電壓相同看似簡單，實際則是不可能的。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)路的面積應保持最小，以降低天線效應和寄生電感。確保所有數(shù)字信號引線具有對應的接地通路，這一層應該與數(shù)字信號引線覆蓋相同的面積，具有盡可能少的斷點。地層的斷點，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。為了達到這一目標，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的一點看作公共接地點，而且只有這一點被當作地電位，蜂窩電話中，電池地端通常被作為星形接地點，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。
   
   音頻放大器吸收相當大的電流，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，因為它們會阻礙數(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。

接地實例

圖3是一個具有較好接地分布的電路板實例，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，保證了電流通道的順暢。

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


圖3. 絲印層和地層舉例

結論

設計良好的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設計還會改善EMI性能，有可能需要更少的屏蔽。