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Resumen: este artículo discute los factores clave que afectan las características de audio en el diseño de PCB de teléfonos móviles. Este artículo da un diseño problemático de PCB para teléfonos móviles y un buen esquema de diseño de pcb. La comparación de los dos diseños enfatiza las consideraciones de diseño para mejorar el rendimiento del audio.
Introducción
Los teléfonos móviles son el desafío final que enfrentan los ingenieros de diseño de pcb. Los teléfonos móviles modernos incluyen casi todos los subsistemas portátiles, y cada uno de ellos tiene requisitos contradictorios. Un PCB perfectamente diseñado debe aprovechar al máximo las ventajas de rendimiento de cada dispositivo de interconexión, evitando al mismo tiempo la interferencia mutua entre los subsistemas. Por lo tanto, el rendimiento de cada subsistema debe verse afectado por las necesidades conflictivas. A pesar de la mejora continua de la función de audio del teléfono móvil, el diseño de PCB del Circuito de audio ha recibido poca atención.
Diseño de componentes
El primer paso en cualquier diseño de PCB es, por supuesto, elegir la ubicación de los PCB de cada componente. Llamamos a este paso una "consideración de planificación". Un diseño cuidadoso de los componentes puede reducir la interconexión de señales, la División de cables de tierra, el acoplamiento de ruido y ocupar el área de la placa de circuito.
El teléfono móvil incluye circuitos digitales y analógicos. Para evitar que el ruido digital interfiera con los circuitos analógicos sensibles, deben separarse. La División de los PCB en áreas digitales y analógicas ayuda a mejorar el diseño de tales circuitos.
Aunque la parte de radiofrecuencia del teléfono móvil suele considerarse un circuito analógico, un problema común a tener en cuenta en muchos diseños es el ruido de radiofrecuencia. Es necesario evitar que el ruido de radiofrecuencia se acople al circuito de audio y genere ruido audible después de la demodulación. Para resolver este problema, es necesario separar los circuitos de radiofrecuencia y audio tanto como sea posible.
Después de dividir los PCB en áreas analógicas, digitales y de radiofrecuencia, es necesario considerar el diseño de componentes de la parte analógica. El diseño del componente debe permitir que la ruta de la señal de audio sea la más corta y que el amplificador de audio esté lo más cerca posible de los enchufes y altavoces de los auriculares, minimizando así la radiación EMI del amplificador de audio de clase D y minimizando el ruido de acoplamiento de la señal de los auriculares. La fuente de señal de audio analógica debe estar lo más cerca posible de la entrada del amplificador de audio para minimizar el ruido de acoplamiento de entrada. Todos los cables de entrada son antenas para señales de radiofrecuencia, y acortar la longitud de los cables ayuda a reducir el efecto de radiación de la antena en la banda de frecuencia correspondiente.
Ejemplo de diseño de componentes
La figura 1 muestra un diseño irrazonable de componentes de audio. El problema más grave es que el amplificador de audio está demasiado lejos de la fuente de señal de audio. Los cables pasan por circuitos digitales ruidosos y circuitos de conmutación, lo que aumenta las posibilidades de acoplamiento acústico. Los cables más largos también mejoran el efecto de la antena de radiofrecuencia. Los teléfonos móviles utilizan la tecnología gps. Estas antenas pueden recibir señales transmitidas por el GSM y introducirlas en el amplificador de audio. Casi todos los amplificadores pueden demoler el sobre de 217 Hz hasta cierto punto, generando así ruido en la salida. En el peor de los casos, el ruido puede inundar completamente la señal de audio. Acortar la longitud del cable de entrada puede reducir efectivamente el ruido acoplado al amplificador de audio.
El diseño del componente que se muestra en la figura 1 tiene otro problema: el amplificador operativo está demasiado lejos del altavoz y del enchufe del auricular. Si el amplificador de audio utiliza un amplificador de clase d, los cables de auriculares más largos aumentarán la radiación EMI del amplificador. Esta radiación puede hacer que el equipo no cumpla con los estándares de prueba establecidos por el Gobierno local. Los auriculares más largos y los cables del micrófono también aumentan la resistencia del cable y reducen la Potencia que la carga puede obtener.
Finalmente, debido a que los componentes están muy dispersos, las conexiones entre los componentes tendrán que pasar por otros subsistemas. Esto no solo aumentará la dificultad de cableado de la parte de audio, sino que también aumentará la dificultad de cableado de otros subsistemas.
Figura 1: el diseño de los componentes no es razonable.
La figura 2 muestra la disposición de los mismos componentes en la figura 1. Los componentes reorganizados pueden utilizar el espacio de manera más eficiente y acortar la longitud de los cables. Tenga en cuenta que todos los circuitos de audio están distribuidos cerca de los enchufes de los auriculares y los altavoces, los cables de entrada y salida de audio son mucho más cortos que la solución anterior, y no hay circuitos de audio colocados en otras áreas del pcb. Este diseño puede reducir completamente el ruido del sistema, reducir la interferencia de radiofrecuencia y simplificar el cableado.
Figura 2: diseño razonable del teléfono móvil.
Vía de señalización
El impacto de la ruta de la señal en el ruido y la distorsión de la salida de audio es muy limitado, lo que significa que es necesario proporcionar medidas de compromiso muy limitadas para garantizar el rendimiento.
Los amplificadores de altavoces suelen ser alimentados directamente por la batería y requieren una corriente considerable. Si usas un cable de alimentación delgado, la onda de alimentación aumentará. Los cables delgados tienen una mayor resistencia que los cortos y los anchos, y los cambios de corriente generados por la resistencia de los cables se convertirán en cambios de voltaje y se alimentarán al dispositivo. Para optimizar el rendimiento, la fuente de alimentación del amplificador debe utilizar el cable lo más corto posible.
Se deben utilizar tantas señales diferenciales como sea posible. La entrada diferencial tiene una alta supresión de ruido, lo que permite al receptor diferencial suprimir el ruido de modo común en las líneas de señal positiva y negativa. Para aprovechar al máximo las ventajas del amplificador diferencial, es muy importante mantener la misma longitud del par de señales diferenciales en el cableado para que tenga la misma resistencia y ambas estén lo más cerca posible para que el ruido de acoplamiento sea el mismo. La entrada diferencial del amplificador es muy eficaz para suprimir el ruido del circuito digital del sistema.
Fundamentado
Para los circuitos de audio, la puesta a tierra es crucial para cumplir con los requisitos de rendimiento del sistema de audio. La puesta a tierra irrazonable puede causar una mayor distorsión de la señal, alto ruido, interferencia fuerte y reducir la capacidad de supresión de radiofrecuencia. Es difícil para los diseñadores invertir mucho tiempo en el diseño del cable de tierra, pero un diseño cuidadoso del cable de tierra puede evitar muchos problemas difíciles.
En cualquier sistema, la puesta a tierra tiene dos consideraciones importantes: una es la ruta de retorno de la corriente que fluye a través del dispositivo y la otra es el potencial de referencia de los circuitos digitales y analógicos. Parece sencillo asegurarse de que el voltaje en cualquier punto del cable de tierra sea el mismo, pero en realidad es imposible. Todos los cables tienen resistencia y, siempre que haya una corriente que fluya a través del suelo, se producirá la caída de tensión correspondiente. Los cables del circuito también forman inductores, lo que significa que la corriente fluye de la batería a la carga y luego de vuelta a la batería. Hay una cierta inducción en toda la ruta actual. Cuando se trabaja a una frecuencia más alta, la inducción aumentará la resistencia a la tierra.
No es fácil diseñar el diseño óptimo del cable de tierra para un sistema específico. Las siguientes son las reglas generales aplicables a todos los sistemas.
1. crear un plano de tierra continuo para circuitos digitales
La corriente digital del plano de tierra regresa a través de la ruta de la señal, y el área del bucle debe mantenerse al mínimo para reducir el efecto de la antena y la inducción parasitaria. Asegúrese de que todos los cables de señal digital tengan la ruta de tierra correspondiente. La capa debe cubrir las mismas áreas que los cables de señal digital y tener el menor número posible de puntos de interrupción. Los puntos de interrupción de la tierra, incluidos los agujeros, harán que la corriente de tierra fluya a través de un circuito más grande, generando así una mayor radiación y ruido.
2. garantizar el aislamiento de la corriente de tierra
La corriente de tierra de los circuitos digitales y analógicos debe mantenerse aislada para evitar que la corriente digital interfiera con los circuitos analógicos. Para lograr este objetivo, es necesario organizar correctamente los componentes. Si el circuito analógico se coloca en una zona del PCB y el circuito digital se coloca en otra zona, la corriente de tierra se aislará naturalmente. Es mejor que el circuito analógico tenga una estratificación independiente de pcb.
3. los circuitos analógicos están conectados a tierra en forma de estrella.
La puesta a tierra en forma de estrella considera un punto del PCB como un punto de puesta a tierra público, y solo esto se considera un potencial de puesta a tierra. En los teléfonos celulares, los terminales de tierra de la batería se utilizan generalmente como puntos de tierra en forma de estrella. La corriente que fluye hacia el plano del suelo no desaparece automáticamente. Toda la corriente de tierra fluirá al punto de tierra.
El amplificador de audio absorbe una corriente considerable, lo que afectará el lugar de referencia del propio circuito y el lugar de referencia de otros sistemas. Para resolver este problema, es mejor proporcionar un circuito especial para conectar el circuito de tierra de alimentación del amplificador y el circuito de tierra del enchufe del auricular. Tenga en cuenta que estos bucles dedicados no se cruzan con las líneas de señal digital porque obstaculizan la corriente de retorno digital.
4. maximizar el papel de los condensadores de derivación
Casi todos los equipos necesitan condensadores de derivación para proporcionar corriente instantánea que la fuente de alimentación no puede proporcionar. Estos condensadores deben estar lo más cerca posible de los pines de alimentación para reducir la inducción parasitaria entre los condensadores y los pines del dispositivo. La inducción reducirá el impacto de los condensadores de derivación. Además, los condensadores deben tener una baja resistencia a la tierra, lo que reduce la resistencia de alta frecuencia de los condensadores. El PIN de tierra del capacitor debe estar conectado directamente a la capa de conexión y no debe estar conectado a tierra a través de cables.
5. verter cobre como formación de contacto en todas las áreas de PCB no utilizadas
Cuando las dos láminas de cobre se acercan entre sí, se forman pequeños condensadores de acoplamiento entre ellas. Coloque un cable de tierra cerca de la línea de señal, y el ruido de alta frecuencia de la línea de señal se cortocircuitará al suelo.
Conclusiones
Un PCB bien diseñado es una tarea larga y desafiante, pero la inversión vale la pena. Un buen diseño de PCB ayuda a reducir el ruido del sistema, mejorar la supresión de la señal de radiofrecuencia y reducir la distorsión de la señal. Un buen diseño de PCB también mejorará el rendimiento del EMI y puede requerir menos blindaje.
Si el PCB no es razonable, habrá problemas que podrían haberse evitado durante la fase de prueba. En este momento, si se toman medidas, puede ser demasiado tarde para resolver los problemas que enfrenta. Requiere más tiempo y energía, y a veces agrega componentes adicionales, lo que aumenta el costo y la complejidad del sistema.
