Progettazione PCB - Il cablaggio PCB migliora la qualità del suono dei telefoni cellulari

introduzione

I telefoni cellulari sono la sfida finale affrontata dagli ingegneri del cablaggio PCB. I telefoni cellulari moderni includono quasi tutti i sottosistemi portatili, e ogni sottosistema ha requisiti contrastanti. Un PCB perfettamente progettato deve dare pieno gioco ai vantaggi prestazionali di ogni dispositivo interconnesso evitando interferenze reciproche tra sottosistemi. Pertanto, le prestazioni di ciascun sottosistema devono essere compromesse a causa di requisiti contrastanti. Anche se le capacità audio dei telefoni cellulari continuano ad aumentare, poca attenzione è stata prestata al layout PCB dei circuiti audio.

Disposizione dei componenti

Il primo passo in qualsiasi progettazione PCB è ovviamente scegliere il posizionamento PCB di ogni componente. Chiamiamo questo passo "considerazione del cablaggio". Un layout attento dei componenti può ridurre l'interconnessione del segnale, la segmentazione del cavo di terra, l'accoppiamento del rumore e occupare l'area del circuito stampato.

I telefoni cellulari contengono circuiti digitali e circuiti analogici. Per evitare che il rumore digitale interferisca con i circuiti analogici sensibili, devono essere separati. La divisione del PCB in aree digitali e analogiche aiuta a migliorare il layout di tali circuiti.

Sebbene la parte RF di un telefono cellulare sia solitamente trattata come un circuito analogico, un problema comune a cui deve essere prestata attenzione in molti progetti è il rumore RF. È necessario prevenire l'accoppiamento del rumore RF al circuito audio e generare rumore udibile dopo la demodulazione. Per risolvere questo problema, è necessario separare il più possibile il circuito RF e il circuito audio.

Dopo aver diviso il PCB in aree analogiche, digitali e RF, il layout dei componenti della parte analogica deve essere considerato. Il layout dei componenti dovrebbe rendere il percorso del segnale audio il più breve e l'amplificatore audio dovrebbe essere posizionato il più vicino possibile alla presa delle cuffie e all'altoparlante per ridurre al minimo la radiazione EMI dell'amplificatore audio di classe D e il rumore di accoppiamento del segnale delle cuffie. La sorgente di segnale audio analogico deve essere il più vicino possibile all'estremità in ingresso dell'amplificatore audio per ridurre al minimo il rumore di accoppiamento in ingresso. Tutti i cavi di ingresso sono un'antenna per il segnale RF e accorciare la lunghezza del cavo aiuta a ridurre l'effetto di radiazione dell'antenna della banda di frequenza corrispondente.

Senza motivo

Per i circuiti audio, la messa a terra è fondamentale per soddisfare i requisiti di prestazioni del sistema audio. La messa a terra irragionevole porta a una maggiore distorsione del segnale, alto rumore, forte interferenza e ridotta capacità di soppressione RF. È difficile per i progettisti di PCB investire molto tempo nella disposizione del filo di terra, ma un'attenta disposizione del filo di terra può evitare molti problemi spinosi.

Ci sono due importanti considerazioni per la messa a terra in qualsiasi sistema: in primo luogo è il percorso di ritorno della corrente che scorre attraverso il dispositivo, e in secondo luogo è il potenziale di riferimento dei circuiti digitali e analogici. Può sembrare semplice assicurarsi che la tensione in qualsiasi punto del filo di terra sia la stessa, ma in realtà è impossibile. Tutti i cavi hanno impedenza e finché c'è corrente che scorre attraverso il filo di terra, verrà generata una corrispondente caduta di tensione. I cavi del circuito formano anche induttanza, il che significa che la corrente scorre dalla batteria al carico e quindi torna alla batteria. C'è una certa induttanza nell'intero percorso corrente. Quando si lavora alle frequenze più alte, l'induttanza aumenterà l'impedenza di terra.

Progettare il miglior layout del filo di terra per un particolare sistema non è semplice. Ecco le regole generali che si applicano a tutti i sistemi.

1. Stabilire un piano di terra continuo per i circuiti digitali

La corrente digitale del piano di terra ritorna attraverso il percorso del segnale e l'area del loop dovrebbe essere mantenuta al minimo per ridurre gli effetti dell'antenna e l'induttanza parassitaria. Assicurarsi che tutti i cavi di segnale digitali abbiano percorsi di terra corrispondenti. Questo livello dovrebbe coprire la stessa area dei cavi del segnale digitale, con il minor numero possibile di punti di rottura. I punti di rottura nel terreno, compresi i vias, faranno scorrere la corrente di terra attraverso un circuito più ampio, generando così maggiore radiazione e rumore.

2. isolamento galvanico a terra di garanzia

La corrente di massa del circuito digitale e del circuito analogico deve essere tenuta isolata per evitare che la corrente digitale interferisca con il circuito analogico. Per raggiungere questo obiettivo, i componenti devono essere disposti correttamente. Se il circuito analogico è disposto in un'area del PCB e il circuito digitale è disposto in un'altra area, la corrente di terra sarà naturalmente isolata. È meglio avere una stratificazione PCB indipendente per il circuito analogico.

3. Il circuito analogico adotta la messa a terra della stella

La messa a terra stellare considera un punto del PCB come un punto di messa a terra comune e solo questo punto è considerato come il potenziale del terreno. Nei telefoni cellulari, il terminale di terra della batteria è solitamente utilizzato come punto di messa a terra della stella. La corrente che scorre nel piano di terra non scomparirà automaticamente. Tutte le correnti di terra confluiranno in questo punto di terra.

L'amplificatore audio assorbe una notevole quantità di corrente, che influenzerà il terreno di riferimento del circuito stesso e il terreno di riferimento di altri sistemi. Per risolvere questo problema, è meglio fornire un loop di ritorno dedicato per collegare il terreno di alimentazione dell'amplificatore e il loop di terra della presa delle cuffie. Si noti che questi loop dedicati non attraversano la linea del segnale digitale, perché ostacoleranno la corrente di ritorno digitale.

4. Massimizzare l'effetto dei condensatori bypass

Quasi tutti i dispositivi richiedono un condensatore bypass per fornire correnti transitorie che l'alimentatore non può fornire. Questi condensatori devono essere posizionati il più vicino possibile ai pin di alimentazione per ridurre l'induttanza parassitaria tra il condensatore e i pin del dispositivo. Induttanza ridurrà l'effetto del condensatore bypass. Inoltre, il condensatore deve avere una bassa impedenza di terra, riducendo così l'impedenza ad alta frequenza del condensatore. Il perno di messa a terra del condensatore dovrebbe essere collegato direttamente allo strato di connessione e non passare attraverso un cavo a terra.

5. Versare rame su tutte le aree PCB inutilizzate come strati di terra

Quando due pezzi di foglio di rame sono vicini l'uno all'altro, si forma una piccola capacità di accoppiamento tra di loro. Posizionare un cavo di terra vicino al cavo del segnale e il rumore ad alta frequenza sul cavo del segnale sarà cortocircuito a terra.

in conclusione

Un PCB ben progettato è un compito che richiede tempo e sfida, ma l'investimento vale davvero la pena. Un buon layout PCB può aiutare a ridurre il rumore del sistema, migliorare la soppressione del segnale RF e ridurre la distorsione del segnale. Un buon design PCB migliorerà anche le prestazioni EMI e potrebbe richiedere meno schermatura.

Se il PCB è irragionevole, ci saranno problemi che avrebbero potuto essere evitati durante la fase di test. Se si prendono provvedimenti in questo momento, potrebbe essere troppo tardi ed è difficile risolvere i problemi affrontati. Richiede più tempo e fatica e talvolta vengono aggiunti componenti aggiuntivi, il che aumenta il costo e la complessità del sistema.