蜂窩電話(huà)的音質(zhì)改善幫手-巧妙的線(xiàn)路板布線(xiàn)

元件布局

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

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

雖然蜂窩電話(huà)的RF部分通常被當作模擬電路處理，許多設計中需要關(guān)注的一個(gè)共同問(wèn)題是RF噪聲，需要防止RF噪聲耦合到音頻電路，經(jīng)過(guò)解調后產(chǎn)生可聞噪音。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要把RF電路和音頻電路盡可能分隔開(kāi)。

將PCB劃分成模擬、數字和RF區域后，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(lèi)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(xiàn)對RF信號來(lái)說(shuō)都是一個(gè)天線(xiàn)，縮短引線(xiàn)長(cháng)度有助于降低相應頻段的天線(xiàn)輻射效應。

元件布置舉例

圖1給出一個(gè)不合理的音頻元件布局，比較嚴重的問(wèn)題是音頻放大器離音頻信號源太遠，由于引線(xiàn)從嘈雜的數字電路和開(kāi)關(guān)電路附近穿過(guò)，從而增加了噪音耦合的幾率。較長(cháng)的引線(xiàn)也增強了RF天線(xiàn)效應。蜂窩電話(huà)采用GSM技術(shù)，這些天線(xiàn)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(luò )，在輸出端產(chǎn)生噪音。糟糕時(shí)，噪音可能會(huì )將音頻信號完全淹沒(méi)掉，縮短輸入引線(xiàn)的長(cháng)度能夠有效降低耦合到音頻放大器的噪聲。

圖1：不合理的元件布局。

圖1所示元件布局還存在另外一個(gè)問(wèn)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(lèi)放大器，較長(cháng)的耳機引線(xiàn)會(huì )增大該放大器的EMI輻射。這種輻射有可能導致設備無(wú)法通過(guò)當地政府制定的測試標準。較長(cháng)的耳機和麥克風(fēng)引線(xiàn)還會(huì )增大引線(xiàn)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(xiàn)將不得不穿過(guò)其它子系統。這不僅會(huì )增加音頻部分的布線(xiàn)難度，也增大了其它子系統的布線(xiàn)難度。

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(xiàn)長(cháng)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(xiàn)比上述方案短得多，PCB的其它區域沒(méi)有放置音頻電路。這樣的設計能夠全面降低系統噪音，減小RF干擾，并且布線(xiàn)簡(jiǎn)單。

圖2：蜂窩電話(huà)的一個(gè)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(shuō)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(cháng)而細的電源引線(xiàn)，會(huì )增大電源紋波。與短而寬的引線(xiàn)相比，又長(cháng)又細的引線(xiàn)阻抗較大，引線(xiàn)阻抗產(chǎn)生的電流變化會(huì )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(xiàn)。

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(xiàn)上的共模噪聲。為充分利用差分放大器的優(yōu)勢，布線(xiàn)時(shí)保持相同的差分信號線(xiàn)對的長(cháng)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(lái)自系統數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的性能要求至關(guān)重要。不合理地線(xiàn)會(huì )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(xiàn)布局上投入大量時(shí)間，但仔細的地線(xiàn)布置能夠避免許多棘手問(wèn)題。

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

為特定的系統設計最佳的地線(xiàn)布局并不簡(jiǎn)單，這里給出了適用于所有系統的一般性規則。

1. 為數字電路建立一個(gè)連續的地平面：

地層的數字電流通過(guò)信號路徑返回，該環(huán)路的面積應保持最小，以降低天線(xiàn)效應和寄生電感。確保所有數字信號引線(xiàn)具有對應的接地通路，這一層應該與數字信號引線(xiàn)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(guò)孔，會(huì )使地電流流過(guò)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：

數字電路和模擬電路的地電流要保持隔離，以阻止數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(gè)區域，把數字電路布置在另一區域，地電流會(huì )自然隔離開(kāi)。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(diǎn)看作公共接地點(diǎn)，而且只有這一點(diǎn)被當作地電位，蜂窩電話(huà)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(huì )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大的電流，這會(huì )影響電路本身的參考地和其它系統的參考地。為了解決這一問(wèn)題，最好提供一個(gè)專(zhuān)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(zhuān)用的回路不要穿越數字信號線(xiàn)，因為它們會(huì )阻礙數字返回電流。

4. 最大化旁路電容作用：

幾乎所有器件都需要一個(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(huì )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(guò)一段引線(xiàn)后接地。

5. 將所有不使用的PCB區域覆銅，作為地層：

兩片銅箔彼此靠近時(shí)，它們之間就會(huì )形成一個(gè)小的耦合電容。在信號線(xiàn)附近布上地線(xiàn)，信號線(xiàn)上的高頻噪聲會(huì )被短路到地層。

接地實(shí)例

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

在這個(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(lèi)放大器和電荷泵的電流直接返回星形接地點(diǎn)，不會(huì )干擾其它模擬層。另外，還需注意耳機插孔有一條引線(xiàn)直接將耳機地電流返回到星形接地點(diǎn)。

圖3：絲印層和地層舉例。

本文小結：

設計良好的PCB是一件耗時(shí)，同時(shí)也是極具挑戰性的工作，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(huì )改善EMI性能，有可能需要更少的屏蔽。

如果PCB不合理，會(huì )在測試階段出現本來(lái)可以避免的問(wèn)題。這時(shí)在采取措施的話(huà)，可能為時(shí)已晚，很難解決所面臨的問(wèn)題，需要投入更多的時(shí)間、花費更大的精力，有時(shí)還要添加額外的元件，增加系統成本和復雜性。