Elektronisches Design - PCB-Verdrahtung verbessert die Klangqualität von Mobiltelefonen

introduction

Cellular phones are the ultimate challenge faced by Leiterplattenverdrahtung Ingenieure. Moderne Mobiltelefone umfassen fast alle tragbaren Subsysteme, und jedes Teilsystem widersprüchliche Anforderungen hat. Eine perfekt gestaltete Leiterplatte muss die Leistungsvorteile jedes miteinander verbundenen Geräts voll ausschöpfen und gegenseitige Interferenzen zwischen Subsystemen vermeiden. Daher, die Leistung jedes Teilsystems muss aufgrund widersprüchlicher Anforderungen beeinträchtigt werden. Obwohl die Audiofähigkeiten von Mobiltelefonen weiter zunehmen, wenig Aufmerksamkeit auf die Leiterplattenlayout von Audioschaltungen.

Bauteillayout

Der erste Schritt in jedem PCB-Design besteht natürlich darin, die Platzierung der Leiterplatte jeder Komponente. Wir nennen diesen Schritt "Verdrahtungsüberlegung". Sorgfältiges Bauteillayout kann die Signalverbindung reduzieren, Segmentierung des Erddrahtes, Geräuschkopplung, und nehmen den Bereich der Leiterplatte.

Mobiltelefone enthalten digitale Schaltungen und analoge Schaltungen. Um zu verhindern, dass digitale Rauschen empfindliche analoge Schaltungen stören, müssen diese getrennt werden. Die Aufteilung der Leiterplatte in digitale und analoge Bereiche hilft, das Layout solcher Schaltungen zu verbessern.

Obwohl der HF-Teil eines Mobiltelefons normalerweise als analoge Schaltung behandelt wird, ist ein häufiges Problem, auf das in vielen Designs geachtet werden muss, HF-Rauschen. Es ist notwendig, zu verhindern, dass sich das HF-Rauschen an die Audioschaltung koppelt und nach der Demodulation hörbares Rauschen erzeugt. Um dieses Problem zu lösen, ist es notwendig, die HF-Schaltung und die Audioschaltung so weit wie möglich zu trennen.

Nachdem die Leiterplatte in analoge, digitale und HF-Bereiche unterteilt wurde, muss das Bauteillayout des analogen Teils berücksichtigt werden. Das Bauteillayout sollte den Audiosignalpfad so kurz wie möglich machen, und der Audioverstärker sollte so nah wie möglich an der Kopfhörerbuchse und dem Lautsprecher platziert werden, um die EMI-Strahlung des Class-D-Audioverstärkers und das Kopplungsrauschen des Kopfhörersignals zu minimieren. Die analoge Audiosignalquelle muss so nah wie möglich am Eingangsende des Audioverstärkers liegen, um das Eingangskopplungsrauschen zu minimieren. Alle Eingangsleitungen sind eine Antenne für das HF-Signal, und die Verkürzung der Leitungslänge hilft, den Antennenstrahleffekt des entsprechenden Frequenzbandes zu reduzieren.

Gegründet

Bei Audioschaltungen ist die Erdung entscheidend, ob sie die Leistungsanforderungen des Audiosystems erfüllen kann. Eine unzumutbare Erdung führt zu größerer Signalverzerrung, hohem Rauschen, starken Interferenzen und reduzierten HF-Unterdrückungsfähigkeiten. Es ist schwierig für PCB-Designer, viel Zeit in das Erdungsdraht-Layout zu investieren, aber ein sorgfältiges Erdungsdraht-Layout kann viele dornige Probleme vermeiden.

Es gibt zwei wichtige Überlegungen für die Erdung in jedem System: Erstens ist es der Rückweg des Stroms, der durch das Gerät fließt, und zweitens ist es das Referenzpotential der digitalen und analogen Schaltungen. Es mag einfach erscheinen, sicherzustellen, dass die Spannung an jedem Punkt des Erdungskabels gleich ist, aber es ist tatsächlich unmöglich. Alle Leitungen haben Impedanz, und solange Strom durch den Erdungskabel fließt, wird ein entsprechender Spannungsabfall erzeugt. Die Schaltungsleitungen bilden auch Induktivität, was bedeutet, dass der Strom von der Batterie zur Last und dann zurück zur Batterie fließt. Es gibt eine gewisse Induktivität im gesamten Strompfad. Bei Arbeiten mit höheren Frequenzen erhöht die Induktivität die Erdimpedanz.

Das beste Massedraht-Layout für ein bestimmtes System zu entwerfen, ist nicht einfach. Hier sind allgemeine Regeln, die für alle Systeme gelten.

1. Einrichtung einer kontinuierlichen Masseebene für digitale Schaltungen

Der digitale Strom der Masseebene kehrt durch den Signalweg zurück, und der Bereich der Schleife sollte auf ein Minimum reduziert werden, um Antenneneffekte und parasitäre Induktivität zu reduzieren. Stellen Sie sicher, dass alle digitalen Signalleitungen über entsprechende Erdungspfade verfügen. Diese Schicht sollte den gleichen Bereich abdecken wie die digitalen Signalleitungen, mit so wenigen Bruchpunkten wie möglich. Breakpoints in the ground, einschließlich Vias, führen dazu, dass der Massestrom durch eine größere Schleife fließt, wodurch größere Strahlung und Geräusche erzeugt werden.

2. Galvanische Trennung garantieren

Der Massestrom der digitalen Schaltung und der analogen Schaltung sollten isoliert gehalten werden, um zu verhindern, dass der digitale Strom die analoge Schaltung stört. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die Komponenten richtig angeordnet sein. Wenn die analoge Schaltung in einem Bereich der Leiterplatte angeordnet ist und die digitale Schaltung in einem anderen Bereich angeordnet ist, wird der Massestrom natürlich isoliert. Es ist am besten, eine unabhängige Leiterplattenschicht für die analoge Schaltung zu haben.

3. Die analoge Schaltung nimmt Sternerdung an

Sternerdung betrachtet einen Punkt der Leiterplatte als gemeinsamen Erdungspunkt, und nur dieser Punkt wird als Erdungspotential betrachtet. In Mobiltelefonen wird das Batterieerdungsgerät normalerweise als Sternerdungspunkt verwendet. Der Strom, der in die Bodenebene fließt, verschwindet nicht automatisch. Alle Bodenströme fließen in diesen Erdungspunkt.

Der Audioverstärker absorbiert eine beträchtliche Menge an Strom, der die Bezugsmasse der Schaltung selbst und die Bezugsmasse anderer Systeme beeinflusst. Um dieses Problem zu lösen, ist es am besten, eine dedizierte Rücklaufschleife zur Überbrückung der Leistungsmasse des Verstärkers und der Masseschleife der Kopfhörerbuchse bereitzustellen. Beachten Sie, dass diese dedizierten Schleifen die digitale Signalleitung nicht überqueren, da sie den digitalen Rückstrom behindern.

4. Maximieren Sie den Effekt von Bypass-Kondensatoren

Fast alle Geräte benötigen einen Bypass-Kondensator, um transiente Ströme bereitzustellen, die das Netzteil nicht liefern kann. Diese Kondensatoren müssen so nah wie möglich an den Netzteilpins platziert werden, um die parasitäre Induktivität zwischen Kondensator und Gerätepins zu reduzieren. Induktivität reduziert die Wirkung des Bypass-Kondensators. Darüber hinaus muss der Kondensator eine niedrige Erdimpedanz aufweisen, wodurch die Hochfrequenz-Impedanz des Kondensators reduziert wird. Der Erdungsstift des Kondensators sollte direkt mit der Verbindungsschicht verbunden sein und nicht durch eine Leitung zur Masse gehen.

5. Gießen Sie Kupfer auf alle ungenutzten PCB-Bereiche als Bodenschichten

Wenn zwei Stücke Kupferfolie nahe beieinander liegen, entsteht zwischen ihnen eine kleine Kopplungskapazität. Platzieren Sie einen Erdungskabel in der Nähe des Signaldrahts, und das Hochfrequenzrauschen auf dem Signaldraht wird zur Erde kurzgeschlossen.

Abschließend

Eine gut gestaltete Leiterplatte ist eine zeitraubende und herausfordernde Aufgabe, aber die Investition lohnt sich. Eine gute Leiterplattenlayout kann helfen, Systemgeräusche zu reduzieren, Verbesserung der HF-Signalunterdrückung, und Signalverzerrungen reduzieren. Ein gutes PCB-Design verbessert auch die EMI-Leistung und erfordert möglicherweise weniger Abschirmung.

Wenn die Leiterplatte unzumutbar ist, gibt es Probleme, die während der Testphase hätte vermieden werden können. Wenn jetzt Maßnahmen ergriffen werden, kann es zu spät sein und es ist schwierig, die Probleme zu lösen. Es erfordert mehr Zeit und Aufwand, und manchmal werden zusätzliche Komponenten hinzugefügt, was die Kosten und Komplexität des Systems erhöht.