Technologie PCB - Le câblage ingénieux de la carte améliore la qualité sonore du téléphone

Résumé: cet article traite des facteurs clés qui influencent les caractéristiques audio dans la conception de PCB pour téléphones mobiles. L'article donne une conception de PCB de téléphone cellulaire problématique et un bon schéma de mise en page de PCB. La comparaison des deux dispositions met en évidence les considérations de conception pour améliorer les performances audio.

Présentation

Le téléphone est le défi ultime pour les ingénieurs de mise en page de PCB. Les téléphones cellulaires modernes comprennent presque tous les sous - systèmes portables et chacun a des exigences contradictoires. Un PCB parfaitement conçu doit tirer pleinement parti des avantages de performance de chaque dispositif interconnecté tout en évitant les interférences mutuelles entre les sous - systèmes. Les performances de chaque sous - système doivent donc être affectées par des exigences contradictoires. Bien que les capacités audio des téléphones cellulaires continuent de s'améliorer, la mise en page PCB des circuits audio reçoit peu d'attention.

Disposition des composants

La première étape de toute conception de PCB est bien sûr de choisir l'emplacement du PCB pour chaque composant. Nous appelons cette étape « considérations de planification ». Une disposition minutieuse des éléments peut réduire l'interconnexion des signaux, la Division des lignes de masse, le couplage du bruit et occuper la surface de la carte.

Le téléphone cellulaire contient un circuit numérique et un circuit analogique. Pour éviter que le bruit numérique ne perturbe les circuits analogiques sensibles, ils doivent être séparés. La Division du PCB en zones numériques et analogiques peut aider à améliorer la disposition de ces circuits.

Bien que la partie RF d'un téléphone cellulaire soit généralement considérée comme un circuit analogique, un problème courant à surveiller dans de nombreuses conceptions est le bruit RF. Il est nécessaire d'éviter que le bruit RF ne soit couplé au circuit audio et ne génère un bruit audible après démodulation. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de séparer autant que possible le circuit RF du circuit audio.

Après avoir divisé le PCB en zones analogiques, numériques et RF, vous devez tenir compte de la disposition des composants de la partie analogique. La disposition des composants doit être telle que le trajet du signal audio soit le plus court possible et que l'amplificateur audio soit placé le plus près possible de la prise casque et des Haut - parleurs, de sorte que le rayonnement EMI de l'amplificateur audio de classe D soit minimisé et que le bruit de couplage du signal casque soit minimal. La source du signal audio analogique doit être située le plus près possible de l'entrée de l'amplificateur audio afin de minimiser le bruit de couplage d'entrée. Toutes les broches d'entrée sont des antennes pour les signaux RF et la réduction de la longueur des broches contribue à réduire l'effet de rayonnement de l'antenne dans la bande de fréquence correspondante.

Exemple de disposition des composants

La figure 1 montre une disposition déraisonnable des composants audio. Un problème plus grave est que l'amplificateur audio est trop loin de la source du signal audio. Les fils traversent des circuits numériques bruyants et des circuits de commutation, ce qui augmente les chances de couplage bruyant. Les conducteurs plus longs améliorent également l'effet de l'antenne RF. Les téléphones portables utilisent la technologie GSM. Ces antennes peuvent recevoir les signaux transmis par GSM et les alimenter en amplificateurs audio. Presque tous les amplificateurs peuvent démoduler une enveloppe de 217 Hz dans une certaine mesure, créant ainsi un bruit en sortie. Dans le pire des cas, le bruit peut complètement inonder le signal audio. Le raccourcissement de la longueur des fils d'entrée permet de réduire efficacement le bruit couplé à l'amplificateur audio.

L'agencement des composants représenté sur la figure 1 pose un autre problème: l'amplificateur opérationnel est trop éloigné des prises Haut - parleur et casque. Si l'amplificateur audio utilise un amplificateur de classe D, une prise casque plus longue augmente le rayonnement EMI de l'amplificateur. Ce rayonnement peut rendre l'appareil incapable de passer les normes d'essai établies par le gouvernement local. Les conducteurs de casque et de microphone plus longs augmentent également l'impédance des conducteurs et réduisent la puissance que la charge peut obtenir.

Enfin, les composants étant très fragmentés, les connexions entre les composants devront passer par d'autres sous - systèmes. Cela augmente la difficulté de câblage non seulement pour la partie audio, mais aussi pour les autres sous - systèmes.

Figure 1: la disposition des composants n'est pas raisonnable.

La figure 2 montre la disposition des mêmes composants de la figure 1. Les éléments réarrangés permettent une utilisation plus efficace de l'espace et une longueur de fil plus courte. Notez que tous les circuits audio sont distribués à proximité des prises casque et des Haut - parleurs, que les fils d'entrée et de sortie audio sont beaucoup plus courts que les solutions ci - dessus et qu'aucun circuit audio n'est placé dans d'autres zones du PCB. Une telle conception permet une réduction globale du bruit du système, une réduction des interférences RF et un câblage simplifié.

Figure 2: disposition raisonnable du téléphone.

Voies de signalisation

L'effet du trajet du signal sur le bruit et la distorsion de sortie audio est très limité, ce qui signifie que les compromis à prévoir pour assurer les performances sont très limités.

Un amplificateur de haut - parleur est généralement alimenté directement par une batterie et nécessite un courant important. Si vous utilisez un cordon d'alimentation allongé, l'ondulation de puissance augmente. Les conducteurs allongés ont une impédance plus élevée que les conducteurs courts et larges, et les variations de courant générées par l'impédance des conducteurs se traduiront par des variations de tension et seront introduites dans le dispositif. Pour optimiser les performances, l'alimentation de l'amplificateur doit utiliser les conducteurs les plus courts possibles.

Il faut utiliser autant de signaux différentiels que possible. L'entrée différentielle a une forte réjection de bruit, de sorte que le récepteur différentiel peut supprimer le bruit de mode commun sur les lignes de signaux positifs et négatifs. Pour tirer le meilleur parti des avantages de l'Amplificateur différentiel, il est important de conserver la même longueur de la paire de signaux différentiels lors du câblage, de sorte qu'elle ait la même impédance et que les deux soient aussi proches que possible pour que le bruit de couplage soit le même. L'entrée différentielle de l'amplificateur est très efficace pour supprimer le bruit provenant des circuits numériques du système.

Mise à la terre

Pour un circuit audio, la mise à la terre est essentielle pour répondre aux exigences de performance d'un système audio. Une mise à la terre déraisonnable entraîne une plus grande distorsion du signal, un bruit élevé, de fortes interférences et réduit la capacité de suppression RF. Il est difficile pour les concepteurs d'investir beaucoup de temps dans la mise en page des lignes de sol, mais une mise en page minutieuse des lignes de sol peut éviter de nombreux problèmes difficiles.

Dans tout système, la masse a deux considérations importantes: premièrement, c'est le chemin de retour du courant circulant dans l'appareil et deuxièmement, c'est le potentiel de référence des circuits numériques et analogiques. S'assurer que la tension est la même en tout point de la ligne de terre peut sembler simple, mais c'est pratiquement impossible. Tous les conducteurs ont une impédance, et chaque fois qu'un courant circule à travers la ligne de masse, une chute de tension correspondante est créée. Les fils du circuit forment également une inductance, ce qui signifie que le courant circule de la batterie à la charge, puis retourne à la batterie. Il existe une certaine inductance dans tout le trajet du courant. Lorsque vous travaillez à des fréquences plus élevées, l'inductance augmente l'impédance de la terre.

Il n'est pas facile de concevoir la meilleure disposition de ligne de terre pour un système spécifique. Voici les règles générales applicables à tous les systèmes.

1. Créer un plan de masse continu pour les circuits numériques

Le courant numérique dans le plan de masse est renvoyé par le chemin du signal et l'aire de la boucle doit être maintenue au minimum pour réduire les effets d'antenne et les inductances parasites. Assurez - vous que toutes les broches de signal numérique ont un chemin de terre correspondant. Cette couche doit couvrir la même zone que les conducteurs de signaux numériques, avec le moins de points de rupture possible. Les points d'arrêt au sol, y compris les trous de travers, provoqueront le passage du courant de terre à travers une boucle plus grande, créant ainsi plus de rayonnement et de bruit.

2. Isolation de courant de terre garantie

Les courants de masse des circuits numériques et analogiques doivent être maintenus isolés pour éviter que les courants numériques ne perturbent les circuits analogiques. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de disposer correctement les composants. Si le circuit analogique est disposé dans une zone du PCB et le circuit numérique dans une autre zone, le courant de masse sera naturellement isolé. Le circuit analogique a de préférence une couche indépendante de PCB.

3. Le circuit analogique adopte la mise à la terre en étoile

La mise à la terre en étoile considère un point du PCB comme un lieu de mise à la terre commun et seul ce point est considéré comme un potentiel de mise à la terre. Dans les téléphones mobiles, la borne de mise à la terre de la batterie est généralement utilisée comme point de mise à la terre en étoile. Le courant entrant dans le plan de sol ne disparaît pas automatiquement. Tout le courant de terre circulera dans ce lieu de mise à la terre.

L'amplificateur audio absorbe un courant important qui affectera la masse de référence du circuit lui - même et celle des autres systèmes. Pour résoudre ce problème, il est préférable de prévoir une boucle dédiée pour faire le pont entre la mise à la terre de l'alimentation de l'amplificateur et la boucle de mise à la terre de la prise casque. Notez que ces boucles dédiées ne croisent pas les lignes de signal numérique, car elles bloquent le courant de retour numérique.

4. Maximisez le rôle du condensateur de dérivation

Presque tous les appareils nécessitent un condensateur de dérivation pour fournir un courant transitoire que l'alimentation ne peut pas fournir. Ces condensateurs doivent être placés aussi près que possible des broches d'alimentation afin de réduire l'inductance parasite entre les condensateurs et les broches de l'appareil. L'inductance réduira l'effet des condensateurs de dérivation. En outre, le condensateur doit avoir une faible impédance de masse, réduisant ainsi l'impédance haute fréquence du condensateur. La broche de mise à la terre du condensateur doit être connectée directement à la couche de connexion et ne pas être mise à la Terre par un fil.

5. Verser le cuivre comme couche de mise à la terre sur toutes les zones de PCB inutilisées

Lorsque deux feuilles de cuivre sont rapprochées l'une de l'autre, une petite capacité de couplage est formée entre elles. Placez un fil de terre près de la ligne de signal et le bruit à haute fréquence sur la ligne de signal court - circuitera la terre.

Conclusion

Un PCB bien conçu est une tâche longue et difficile, mais l'investissement en vaut vraiment la peine. Une bonne disposition de PCB peut aider à réduire le bruit du système, améliorer la suppression du Signal RF et réduire la distorsion du signal. Une bonne conception de PCB améliorera également les performances EMI et peut nécessiter moins de blindage.

Si le PCB n'est pas raisonnable, des problèmes qui auraient pu être évités se produisent pendant la phase de test. À ce stade, si des mesures sont prises, il peut être trop tard et il sera difficile de résoudre les problèmes rencontrés. Cela prend plus de temps et d'efforts, et parfois des composants supplémentaires sont ajoutés, ce qui augmente le coût et la complexité du système.