PCB Tecnico - Il cablaggio intelligente del circuito stampato migliora la qualità del suono dei telefoni cellulari

Abstract: Questo articolo discute i fattori chiave che influenzano le caratteristiche audio nella progettazione del PCB del telefono cellulare. Un design PCB problematico del telefono cellulare e un buon piano di layout PCB sono forniti nell'articolo. Il confronto dei due layout enfatizza le considerazioni progettuali per migliorare le prestazioni audio.

Introduzione

I telefoni cellulari sono la sfida finale affrontata dagli ingegneri del layout 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. Noi chiamiamo questo passo "considerazione di pianificazione". 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 impedire 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, in modo che la radiazione EMI dell'amplificatore audio di classe D sia minimizzata e il rumore di accoppiamento del segnale delle cuffie sia il più piccolo. 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.

Esempio di layout dei componenti

La figura 1 mostra un layout irragionevole dei componenti audio. Il problema più grave è che l'amplificatore audio è troppo lontano dalla sorgente del segnale audio. I cavi passano attraverso il rumoroso circuito digitale e il circuito di commutazione, che aumenta la possibilità di accoppiamento acustico. I cavi più lunghi migliorano anche l'effetto dell'antenna RF. I telefoni cellulari utilizzano la tecnologia GSM. Queste antenne possono raccogliere segnali GSM trasmessi e alimentarli in amplificatori audio. Quasi tutti gli amplificatori possono demodulare l'involucro 217Hz in una certa misura, producendo rumore all'uscita. Nel peggiore dei casi, il rumore può sommergere completamente il segnale audio. Ridurre la lunghezza del cavo di ingresso può ridurre efficacemente il rumore accoppiato all'amplificatore audio.

C'è un altro problema con il layout dei componenti mostrato in Figura 1: L'amplificatore operativo è troppo lontano dalla presa dell'altoparlante e delle cuffie. Se l'amplificatore audio utilizza un amplificatore di classe D, i cavi per cuffie più lunghi aumenteranno la radiazione EMI dell'amplificatore. Questo tipo di radiazioni può causare il mancato rispetto degli standard di prova stabiliti dal governo locale. I cavi per cuffie e microfono più lunghi aumentano anche l'impedenza del cavo e riducono la potenza che il carico può ottenere.

Infine, poiché i componenti sono così dispersi, le connessioni tra i componenti dovranno passare attraverso altri sottosistemi. Questo non solo aumenterà la difficoltà di cablaggio della parte audio, ma aumenterà anche la difficoltà di cablaggio di altri sottosistemi.

Figura 1: Disposizione dei componenti irragionevole.

La figura 2 mostra la disposizione degli stessi componenti nella figura 1. I componenti riorganizzati possono utilizzare lo spazio in modo più efficace e accorciare la lunghezza del piombo. Si noti che tutti i circuiti audio sono distribuiti vicino al jack per cuffie e agli altoparlanti, i cavi di ingresso e uscita audio sono molto più corti della soluzione di cui sopra e nessun circuito audio è posizionato in altre aree del PCB. Tale progettazione può ridurre completamente il rumore del sistema, ridurre l'interferenza RF e il cablaggio semplice.

Figura 2: Un layout ragionevole dei telefoni cellulari.

Percorso del segnale

Il percorso del segnale ha un impatto molto limitato sul rumore e sulla distorsione dell'uscita audio, il che significa che le misure di compromesso che devono essere fornite per garantire le prestazioni sono molto limitate.

Gli amplificatori degli altoparlanti sono solitamente alimentati direttamente da batterie e richiedono una notevole corrente. Se si utilizzano cavi di alimentazione lunghi e sottili, l'increspatura di potenza aumenterà. Rispetto ai cavi corti e larghi, i cavi lunghi e sottili hanno un'impedenza più elevata e i cambiamenti di corrente generati dall'impedenza del cavo saranno convertiti in cambi di tensione e alimentati nel dispositivo. Per ottimizzare le prestazioni, l'alimentatore dell'amplificatore dovrebbe utilizzare il cavo più breve possibile.

I segnali differenziali dovrebbero essere utilizzati il più possibile. L'ingresso differenziale ha alta soppressione del rumore, in modo che il ricevitore differenziale può sopprimere il rumore di modo comune sulle linee di segnale positivo e negativo. Al fine di sfruttare appieno i vantaggi dell'amplificatore differenziale, è molto importante mantenere la stessa lunghezza della coppia di segnale differenziale durante il cablaggio, in modo che abbia la stessa impedenza e i due siano il più vicini possibile l'uno all'altro per rendere il rumore di accoppiamento lo stesso. L'ingresso differenziale dell'amplificatore è molto efficace nel sopprimere il rumore dal circuito digitale del sistema.

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 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. Creare 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 utilizza 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.

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. In questo momento, se si prendono provvedimenti, 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.