Leiterplattentechnisch - Clevere Leiterplattenverdrahtung verbessert die Klangqualität von Mobiltelefonen

Zusammenfassung: Dieser Artikel diskutiert die Schlüsselfaktoren, die Audioeigenschaften im PCB-Design von Mobiltelefonen beeinflussen. Ein problematisches Handy PCB Design und ein guter PCB Layout Plan sind in dem Artikel gegeben. Der Vergleich der beiden Layouts betont die Designüberlegungen zur Verbesserung der Audioleistung.

Einleitung

Mobiltelefone sind die ultimative Herausforderung für PCB-Layout-Ingenieure. Moderne Mobiltelefone umfassen fast alle tragbaren Subsysteme, und jedes Subsystem hat widersprüchliche Anforderungen. Eine perfekt gestaltete Leiterplatte muss die Leistungsvorteile jedes miteinander verbundenen Geräts voll ausschöpfen und gegenseitige Interferenzen zwischen Subsystemen vermeiden. Daher muss die Leistung jedes Teilsystems bei widersprüchlichen Anforderungen beeinträchtigt werden. Obwohl die Audiofähigkeiten von Mobiltelefonen weiter zunehmen, wurde dem PCB-Layout von Audioschaltungen wenig Aufmerksamkeit geschenkt.

Bauteillayout

Der erste Schritt in jedem PCB-Design besteht natürlich darin, die PCB-Platzierung jeder Komponente zu wählen. Wir nennen diesen Schritt "Planungsüberlegung". Ein sorgfältiges Komponentenlayout kann die Signalverbindung, die Erdungskabelsegmentierung, die Rauschkopplung reduzieren und den Bereich der Leiterplatte einnehmen.

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, HF-Rauschen an die Audioschaltung zu koppeln und nach der Demodulation hörbare Rauschen zu erzeugen. 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 Komponentenlayout sollte den Audiosignalpfad am kürzesten machen, und der Audioverstärker sollte so nah wie möglich an der Kopfhörerbuchse und dem Lautsprecher platziert werden, damit die EMI-Strahlung des Audioverstärkers der Klasse D minimiert wird und das Kopplungsrauschen des Kopfhörersignals am kleinsten ist. 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.

Beispiel für das Bauteillayout

Abbildung 1 zeigt ein unzumutbares Layout der Audiokomponente. Das gravierendere Problem ist, dass der Audioverstärker zu weit von der Audiosignalquelle entfernt ist. Die Leitungen passieren den lauten digitalen Schaltkreis und Schaltkreis, was die Wahrscheinlichkeit einer Rauschkopplung erhöht. Längere Leitungen verstärken auch den HF-Antenneneffekt. Mobiltelefone nutzen GSM-Technologie. Diese Antennen können GSM-übertragene Signale aufnehmen und in Audioverstärker einspeisen. Fast alle Verstärker können die 217Hz Hüllkurve bis zu einem gewissen Grad demodulieren und erzeugen Rauschen am Ausgang. Im schlimmsten Fall kann das Rauschen das Audiosignal vollständig untertauchen. Durch die Verkürzung der Länge des Eingangskabels kann das an den Audioverstärker gekoppelte Rauschen effektiv reduziert werden.

Es gibt ein weiteres Problem mit dem Bauteillayout in Abbildung 1: Der OP-Verstärker ist zu weit von Lautsprecher und Kopfhöreranschluss entfernt. Wenn der Audioverstärker einen Class-D-Verstärker verwendet, erhöhen längere Kopfhörerleitungen die EMI-Strahlung des Verstärkers. Diese Art von Strahlung kann dazu führen, dass das Gerät die von der lokalen Regierung festgelegten Prüfstandards nicht erfüllt. Längere Kopfhörer- und Mikrofonleitungen erhöhen auch die Leadimpedanz und reduzieren die Leistung, die die Last erhalten kann.

Schließlich müssen die Verbindungen zwischen den Komponenten durch andere Subsysteme gehen, da die Komponenten so verstreut sind. Dies erhöht nicht nur die Verdrahtungsschwierigkeit des Audioteils, sondern erhöht auch die Verdrahtungsschwierigkeit anderer Subsysteme.

Abbildung 1: Unvernünftiges Bauteillayout.

Abbildung 2 zeigt die Anordnung der gleichen Komponenten in Abbildung 1. Die neu angeordneten Komponenten können Platz effektiver nutzen und die Führungslänge verkürzen. Beachten Sie, dass alle Audioschaltungen in der Nähe der Kopfhörerbuchse und Lautsprecher verteilt sind, die Audio-Ein- und Ausgangsleitungen viel kürzer als die obige Lösung sind und keine Audioschaltungen in anderen Bereichen der Leiterplatte platziert sind. Ein solches Design kann Systemgeräusche umfassend reduzieren, HF-Störungen reduzieren und einfache Verkabelung.

Abbildung 2: Ein vernünftiges Layout von Mobiltelefonen.

Signalweg

Der Signalweg hat einen sehr begrenzten Einfluss auf das Rauschen und die Verzerrung des Audioausgangs, was bedeutet, dass die Kompromissmaßnahmen, die getroffen werden müssen, um die Leistung zu gewährleisten, sehr begrenzt sind.

Lautsprecherverstärker werden in der Regel direkt mit Batterien betrieben und benötigen erheblichen Strom. Wenn Sie lange und dünne Stromkabel verwenden, wird die Stromwelligkeit zunehmen. Im Vergleich zu kurzen und breiten Leitungen haben lange und dünne Leitungen eine höhere Impedanz, und die Stromänderungen, die durch die Leitungsimedanz erzeugt werden, werden in Spannungsänderungen umgewandelt und in das Gerät eingespeist. Um die Leistung zu optimieren, sollte das Verstärker-Netzteil möglichst kurze Leitungen verwenden.

Differentialsignale sollten so weit wie möglich verwendet werden. Der Differenzeingang hat eine hohe Rauschunterdrückung, so dass der Differenzempfänger das Gleichtaktrauschen auf den positiven und negativen Signalleitungen unterdrücken kann. Um die Vorteile des Differenzverstärkers voll auszuschöpfen, ist es sehr wichtig, bei der Verdrahtung die gleiche Länge des Differenzsignalpaares beizubehalten, damit es die gleiche Impedanz hat, und die beiden so nah wie möglich zueinander sind, um das Kupplungsrauschen gleich zu machen. Der Differenzeingang des Verstärkers ist sehr effektiv bei der Unterdrückung des Rauschens aus der digitalen Schaltung des Systems.

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 Designer, viel Zeit in 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. Erstellen Sie eine kontinuierliche 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 verwendet Sternerdung

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 sollten so nah wie möglich an den Stromversorgungsstiften 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.

Schlussfolgerung

Eine gut gestaltete Leiterplatte ist eine zeitaufwendige und herausfordernde Aufgabe, aber die Investition lohnt sich in der Tat. Ein gutes PCB-Layout kann dazu beitragen, Systemrauschen zu reduzieren, die HF-Signalunterdrückung zu verbessern und Signalverzerrungen zu 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 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.