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发表于 2010-6-21
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PCB布线改善音频的音质
文中给出了一个有问题的蜂窝电话PCB设计和一个良好的PCB布板方案。通过对两种布板的对比强调 了改善音频性能的设计考虑。
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。
图2:蜂窝电话的一个合理布局方案。
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。
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