PCB科技 - 巧妙的電路板佈線提高了手機的音質

摘要：本文討論了影響手機音訊特性的關鍵因素 印刷電路板設計. 有問題的手機 印刷電路板設計 和一個好的 印刷電路板佈局 文中給出了計畫. 兩種佈局的比較強調了改善音訊效能的設計考慮.

介紹

手機是 印刷電路板佈局 工程師. 現代行动电话幾乎包括所有可擕式子系統, 每個子系統都有相互衝突的需求. 設計完美的 印刷電路板 必須充分發揮各互聯設備的效能優勢，同時避免子系統之間的相互干擾. 因此, 每個子系統的效能必須因相互衝突的需求而受到影響. 儘管手機的音訊功能不斷增強, 很少有人關注 印刷電路板佈局 音訊電路的.

組件佈局

任何印刷電路板設計的第一步當然是選擇每個組件的印刷電路板佈局。 我們將此步驟稱為“規劃考慮”。 仔細的元件佈局可以减少訊號互連、地線分段、雜訊耦合，並佔用電路板的面積。

手機包含數位電路和類比電路。 為了防止數位雜訊干擾敏感的類比電路，必須將它們分開。 將印刷電路板劃分為數位和類比區域有助於改進此類電路的佈局。

雖然蜂窩電話的射頻部分通常被視為類比電路，但在許多設計中需要注意的一個常見問題是射頻雜訊。 有必要防止射頻雜訊耦合到音訊電路，並在解調後產生可聽雜訊。 為了解决這個問題，有必要盡可能地分離射頻電路和音訊電路。

將印刷電路板劃分為類比、數位和射頻區域後，需要考慮類比部分的組件佈局。 部件佈局應使音訊訊號路徑最短，音訊放大器應盡可能靠近耳機插孔和揚聲器，以使D類音訊放大器的EMI輻射最小化，耳機訊號的耦合雜訊最小。 類比音訊信號源必須盡可能靠近音訊放大器的輸入端，以將輸入耦合雜訊降至最低。 所有輸入引線都是射頻訊號的天線，縮短引線長度有助於降低相應頻段的天線輻射效應。

組件佈局示例

圖1顯示了不合理的音訊組件佈局。 更嚴重的問題是音訊放大器離音訊信號源太遠。 引線穿過有雜訊的數位電路和開關電路，這新增了雜訊耦合的機會。 更長的引線還可以增强射頻天線效果。 手機使用GSM科技。 這些天線可以接收GSM傳輸的訊號，並將其輸入音訊放大器。 幾乎所有放大器都能在一定程度上解調217Hz包絡，在輸出端產生雜訊。 在最壞的情况下，雜訊可能會完全淹沒音訊訊號。 縮短輸入引線的長度可以有效降低耦合到音訊放大器的雜訊。

圖1所示的組件佈局還有另一個問題：運算放大器離揚聲器和耳機插座太遠。 如果音訊放大器使用D類放大器，則較長的耳機引線將新增放大器的EMI輻射。 這種輻射可能導致設備不符合當地政府規定的測試標準。 更長的耳機和麥克風導線也會新增導線阻抗，降低負載可以獲得的功率。

最後，由於組件非常分散，組件之間的連接必須通過其他子系統。 這不僅會新增音訊部分的佈線難度，還會新增其他子系統的佈線難度。

圖1：組件佈局不合理。

圖2顯示了圖1中相同組件的排列。 重新排列的元件可以更有效地利用空間並縮短引線長度。 請注意，所有音訊電路都分佈在耳機插孔和揚聲器附近，音訊輸入和輸出引線比上述解決方案短得多，並且沒有音訊電路放置在印刷電路板的其他區域。 這樣的設計可以全面降低系統雜訊，减少射頻干擾，佈線簡單。

圖2：手機的合理佈局。

訊號通路

訊號路徑對音訊輸出雜訊和失真的影響非常有限，這意味著為確保效能而需要提供的折衷措施非常有限。

揚聲器放大器通常由電池直接供電，需要相當大的電流。 如果使用細長的電源線，電源波動會新增。 與短引線和寬引線相比，長引線和細引線具有更高的阻抗，引線阻抗產生的電流變化將轉換為電壓變化並饋入設備。 為了優化效能，放大器電源應使用盡可能短的導線。

應盡可能多地使用差分訊號。 差分輸入具有高雜訊抑制，囙此差分接收器可以抑制正負訊號線上的共模雜訊。 為了充分利用差分放大器的優點，在佈線時保持差分訊號對的長度相同非常重要，以便其具有相同的阻抗，並且兩者盡可能接近，以使耦合雜訊相同。 放大器的差分輸入對抑制系統數位電路中的雜訊非常有效。

接地的

對於音訊電路而言，接地對於能否滿足音訊系統的效能要求至關重要。 不合理的接地會導致更大的訊號失真、高雜訊、强干擾，並降低射頻抑制能力。 設計師很難在地線佈局上投入大量時間，但仔細的地線佈局可以避免許多棘手的問題。

在任何系統中，接地都有兩個重要的考慮因素：第一，它是流經設備的電流的返回路徑，第二，它是數位和類比電路的參攷電勢。 確保地線任何一點的電壓都是相同的似乎很簡單，但實際上是不可能的。 所有導線都有阻抗，只要有電流流過地線，就會產生相應的電壓降。 電路引線還形成電感，這意味著電流從蓄電池流向負載，然後再流回蓄電池。 在整個電流通路中有一定的電感。 在較高頻率下工作時，電感會新增接地阻抗。

為特定系統設計最佳地線佈局並不簡單。 以下是適用於所有系統的一般規則。

1、為數位電路創建連續接地層

接地層的數位電流通過訊號路徑返回，回路面積應保持在最小，以减少天線效應和寄生電感。 確保所有數位信號引線具有相應的接地路徑。 該層應覆蓋與數位信號引線相同的區域，盡可能少的中斷點。 地面上的中斷點（包括過孔）將導致接地電流流過更大的回路，從而產生更大的輻射和雜訊。

2、保證接地電流隔離

數位電路和類比電路的接地電流應保持隔離，以防止數位電流干擾類比電路。 為了實現這一目標，需要正確排列組件。 如果類比電路佈置在印刷電路板的一個區域，而數位電路佈置在另一個區域，則接地電流將自然隔離。 類比電路最好有一個獨立的印刷電路板層。

3、類比電路採用星形接地

星形接地涉及 印刷電路板 作為公共接地點, 只有這一點被認為是地電位. 在手機中, 蓄電池接地端子通常用作星形接地點. 流入地平面的電流不會自動消失. 所有接地電流將流入該接地點.

音訊放大器吸收大量電流，這將影響電路本身的參攷接地和其他系統的參攷接地。 為了解决此問題，最好提供一個專用回路，以橋接放大器的電源接地和耳機插孔的接地回路。 請注意，這些專用回路不會穿過數位信號線，因為它們會阻礙數位回路電流。

4、最大限度地發揮旁路電容器的作用

幾乎所有設備都需要旁路電容器來提供電源無法提供的瞬態電流。 這些電容器應盡可能靠近電源引脚，以减少電容器和設備引脚之間的寄生電感。 電感將减小旁路電容器的影響。 此外，電容器必須具有較低的接地阻抗，從而降低電容器的高頻阻抗。 電容器的接地插腳應直接連接到連接層，不得通過引線接地。

在所有未使用的印刷電路板區域上澆注銅作為接地層

當兩片銅箔彼此靠近時，它們之間會形成一個小的耦合電容。 在訊號線附近放置接地線，訊號線上的高頻雜訊將對地短路。

結論

設計良好的印刷電路板是一項耗時且具有挑戰性的任務，但投資確實是值得的。 良好的印刷電路板佈局有助於降低系統雜訊，改善射頻訊號抑制，並减少訊號失真。 良好的印刷電路板設計也將改善EMI效能，並且可能需要較少的遮罩。

如果 印刷電路板 是不合理的, 在測試階段可能會出現一些可以避免的問題. 此時, 如果採取措施, 可能太晚了, 而且很難解决所面臨的問題. 這需要更多的時間和精力, 有時還會添加其他組件, 這新增了系統的成本和複雜性.