PCB技術 - 賢い回路基板配線は携帯電話の音質を改善する

本稿では、携帯電話におけるオーディオ特性に影響する主要な要因について検討する PCB設計. 問題の携帯電話 PCB設計 そして、良い PCBレイアウト その記事には計画がある. つのレイアウトの比較は、オーディオ性能を改善するための設計上の配慮を強調する.

導入

携帯電話は究極の挑戦に直面して PCBレイアウト エンジニア. 現代の携帯電話は、ほとんどすべてのポータブルサブシステムを含みます, そして、各々のサブシステムは矛盾している必要条件を持ちます. 完全に設計されたもの PCB サブシステム間の相互干渉を避けながら、各相互接続デバイスのパフォーマンスの利点に完全なプレイを与える必要があります. したがって, 各サブシステムの性能は矛盾した要求のために妥協しなければならない. 携帯電話のオーディオ機能は増加し続けるが, ほとんど注意が払われていない PCBレイアウト オーディオ回路の.

コンポーネントレイアウト

任意のPCB設計の最初のステップはもちろん、各コンポーネントのPCB配置を選択することです。このステップを「計画検討」と呼ぶ。慎重なコンポーネントレイアウトは、信号相互接続、接地線セグメンテーション、ノイズ結合を減らすことができて、回路基板の領域を取ることができます。

携帯電話はデジタル回路とアナログ回路を含んでいる。デジタルノイズが敏感なアナログ回路に干渉するのを防ぐために、それらは分離されなければならない。PCBをデジタルおよびアナログ領域に分割することは、そのような回路のレイアウトを改善するのに役立つ。

携帯電話のRF部は、通常、アナログ回路として扱われるが、多くの設計において注目される必要があるのは、RFノイズである。RFノイズをオーディオ回路に結合させ、復調後に可聴ノイズを発生させることが必要である。この問題を解決するためには、RF回路とオーディオ回路をできるだけ分離する必要がある。

PCBをアナログ、デジタル、RF領域に分割した後、アナログ部品のコンポーネントレイアウトを考慮する必要がある。コンポーネントのレイアウトは、オーディオ信号のパスを最短にする必要があり、オーディオアンプを可能な限りヘッドフォンジャックとスピーカーに配置する必要がありますので、クラスDオーディオアンプのEMI放射が最小化され、ヘッドホン信号の結合ノイズが最小です。アナログオーディオ信号源は、入力結合ノイズを最小化するために、オーディオ増幅器の入力端に可能な限り近くなければならない。全ての入力リードは、RF信号用のアンテナであり、リード長を短くすることにより、対応する周波数帯のアンテナ放射効果を低減することができる。

コンポーネントレイアウト例

図1は、不合理なオーディオコンポーネントのレイアウトを示す。より深刻な問題は、オーディオアンプがオーディオ信号源からあまり遠く離れているということです。リード線は雑音のあるデジタル回路およびスイッチ回路を通過する。そして、それはノイズ結合の機会を増やす。より長いリードも、RFアンテナ効果を強化します。携帯電話は、GSM技術を使用します。これらのアンテナは、GSM送信信号をピックアップし、それらをオーディオ増幅器に供給することができる。ほとんど全ての増幅器は、217 Hzのエンベロープをある範囲まで復調することができ、出力にノイズを生じる。最悪の場合、ノイズはオーディオ信号を完全に沈降させる。入力リードの長さを短くすることにより、オーディオ増幅器に結合されたノイズを効果的に低減することができる。

図1に示されるコンポーネント・レイアウトに関する別の問題がある。OPアンプは、スピーカとヘッドフォン・ソケットからあまり離れていない。オーディオアンプがクラスDアンプを使用するならば、より長いヘッドホン・リードは増幅器のEMI放射を増やします。この種の放射線によって、装置が地方政府によって設定された試験規格に失敗する可能性がある。長いヘッドホンとマイクは、リード・インピーダンスも増やして、荷が得ることができる力を減らします。

最後に、コンポーネントがとても散らばっているので、コンポーネント間の接続は他のサブシステムを通過しなければなりません。これは、オーディオ部の配線の難易度を高めるだけでなく、他のサブシステムの配線の難易度も増加する。

図1 :不合理なコンポーネントレイアウト。

図2は、図1の同じ構成要素の構成を示す。再配置された部品は、より効果的にスペースを使用でき、リード長を短くすることができる。なお、全てのオーディオ回路はヘッドホンジャック及びスピーカの近傍に分布しており、オーディオ入力及び出力リードは上記の解よりもずっと短く、他の領域にはオーディオ回路が配置されていない。このような設計により、システムノイズを総合的に低減し、RF干渉を低減し、簡単な配線を行うことができる。

図2 :携帯電話の合理的なレイアウト。

シグナル経路

信号経路は、オーディオ出力ノイズおよび歪みに非常に制限された影響を有し、これは性能を保証するために提供される必要がある妥協策が非常に限られていることを意味する。

スピーカ増幅器は、通常、電池によって直接電力供給され、かなりの電流を必要とする。あなたが長くて細い力リードを使うならば、力波紋は増加します。短くて広いリード線と比較して、長くて細いリードはより高いインピーダンスを持ち、リードインピーダンスによって生成された電流変化は電圧変化に変換され、デバイスに供給される。性能を最適化するために、増幅器電源は最短のリード線を使用するべきである。

差動信号はできるだけ多く使用するべきです。差動入力は、高い雑音抑制を有し、差動受信機は、正および負の信号線上のコモンモードノイズを抑制することができる。差動増幅器の利点を十分に生かすためには、差動信号対の配線長が同じであるので、同じインピーダンスを有するようにし、結合ノイズを同じようにできるだけ近接させることが極めて重要である。増幅器の差動入力は、システムのデジタル回路からのノイズを抑制するのに非常に効果的である。

接地

オーディオ回路のために、接地はオーディオシステムの性能要件を満たすことができるかどうかに重要である。不合理な接地は、より大きな信号歪み、高雑音、強い干渉、およびRF抑制能力を低減させる。設計者がグラウンドワイヤレイアウトで多くの時間を投資することは困難であるが、慎重な接地配線は多くの厄介な問題を回避することができる。

どんなシステムにも接地するために2つの重要な考慮事項があります：最初に、それは装置を通って流れる電流の戻り道です、そして、それはデジタルとアナログ回路の基準電位です。接地線の任意の点の電圧が同じであることを保証するのは簡単であるように思えるかもしれないが、実際には不可能である。全てのリードはインピーダンスを有し、接地線を流れる電流がある限り、対応する電圧降下が生じる。回路リードもまたインダクタンスを形成する。そして、それは電流がバッテリから負荷まで流れて、それからバッテリに戻ることを意味する。電流経路全体に一定のインダクタンスがある。より高い周波数で動作するとき、インダクタンスは接地インピーダンスを増加させる。

特定のシステムに最適な接地線レイアウトの設計は簡単ではない。ここでは、すべてのシステムに適用される一般的な規則です。

1 .デジタル回路用の連続グランドプレーンの作成

接地面のディジタル電流は信号経路を通って戻り、ループの面積を最小にしてアンテナ効果及び寄生インダクタンスを減少させる。すべてのデジタル信号リードが対応する接地経路を有することを確実にする。この層は、できるだけ少ないブレークポイントと共に、デジタル信号リードと同じ領域をカバーしなければならない。ビアを含むグランドのブレークポイントは、グランド電流をより大きなループを通過させ、それによってより大きな放射線およびノイズを生成する。

（二）地下防食の保証

デジタル回路およびアナログ回路の接地電流は、デジタル電流がアナログ回路に干渉するのを防ぐために絶縁されていなければならない。この目標を達成するためには、部品を正しく配置する必要がある。アナログ回路がPCBの1つの領域に配置され、デジタル回路が別の領域に配置される場合、接地電流は自然に分離される。アナログ回路のために独立したPCB層を有することは、最もよい。

アナログ回路はスターグランドを使用する

星の接地は、1つのポイント PCB 共通接地点として, そして、この点だけが地上電位と見なされます. 携帯電話で, バッテリ接地端子は、通常、スター接地点として使用される. グランドプレーンに流れる電流は自動的には消えない. すべての接地電流がこの接地点に流れ込む.

オーディオ増幅器はかなりの量の電流を吸収し、それは回路そのものの基準グラウンドおよび他のシステムの基準グラウンドに影響を及ぼす。この問題を解決するために、ヘッドフォン・ジャックの増幅器およびグランド・ループの電源グラウンドをブリッジするために専用のリターン・ループを提供することが最善である。これらの専用ループはデジタルリターンラインを妨げることはないので、デジタルリターンラインを妨げることに留意されたい。

バイパスコンデンサの効果を最大化

ほとんどすべてのデバイスは、電源が供給することができない過渡電流を提供するためにバイパスコンデンサを必要とする。これらのコンデンサは、コンデンサとデバイスピンとの間の寄生インダクタンスを低減するために、電源ピンに可能な限り近く配置されるべきである。インダクタンスはバイパスコンデンサの効果を低減する。また、キャパシタの接地インピーダンスは低く、コンデンサの高周波インピーダンスを小さくする必要がある。コンデンサの接地ピンは、接続層に直接接続され、リード線を接地に通過しない。

グランド層としてすべての未使用PCB領域に銅を注ぐ

2枚の銅箔が近接しているとき、それらの間に小さな結合容量が形成される。信号線の近くに接地線を置き、信号線上の高周波ノイズを接地に短絡する。

結論

よく設計されたPCBは、時間がかかり、挑戦的な仕事ですが、投資は本当に価値があります。良いPCBレイアウトは、システムノイズを低減し、RF信号の抑制を改善し、信号歪みを低減することができます。良好なPCB設計はまた、EMI性能を改善し、より少ない遮蔽を必要とする。

If the PCB 無理だ, テスト段階では避けられなかった問題がある. この時に, 処置がとられるならば, 遅すぎるかもしれない, 問題を解決するのは難しい. より多くの時間と努力が必要です, また、追加のコンポーネントが追加されます, システムのコストと複雑さを増加させる.