Công nghệ PCB - Cáp bảng thông minh cải thiện chất lượng âm thanh của điện thoại

Tóm tắt: Bài viết này thảo luận về các yếu tố chính ảnh hưởng đến đặc tính âm thanh trong thiết kế PCB của điện thoại. Bài viết đưa ra một thiết kế PCB điện thoại di động có vấn đề và một kế hoạch bố trí PCB tốt. So sánh hai bố cục nhấn mạnh các cân nhắc thiết kế để cải thiện hiệu suất âm thanh.

Giới thiệu

Điện thoại di động là thách thức cuối cùng mà các kỹ sư bố trí PCB phải đối mặt. Điện thoại di động hiện đại bao gồm gần như tất cả các hệ thống con di động và mỗi hệ thống con có các yêu cầu xung đột. Một PCB được thiết kế hoàn hảo phải tận dụng tối đa lợi thế hiệu suất của mỗi thiết bị được kết nối trong khi tránh sự can thiệp lẫn nhau giữa các hệ thống con. Do đó, hiệu suất của mỗi hệ thống con phải bị ảnh hưởng bởi các yêu cầu xung đột. Mặc dù khả năng âm thanh của điện thoại ngày càng tăng, bố cục PCB của mạch âm thanh nhận được rất ít sự chú ý.

Bố trí thành phần

Bước đầu tiên trong bất kỳ thiết kế PCB nào tất nhiên là chọn vị trí PCB cho từng thành phần. Chúng tôi gọi bước này là "cân nhắc lập kế hoạch". Bố trí các phần tử cẩn thận có thể làm giảm kết nối tín hiệu, phân chia đường đất, ghép tiếng ồn và chiếm diện tích của bảng.

Điện thoại di động chứa các mạch kỹ thuật số và analog. Để ngăn tiếng ồn kỹ thuật số can thiệp vào các mạch analog nhạy cảm, chúng phải được tách ra. Việc chia PCB thành các khu vực kỹ thuật số và tương tự có thể giúp cải thiện bố cục của các mạch như vậy.

Mặc dù phần RF của điện thoại di động thường được coi là mạch analog, một vấn đề phổ biến cần lưu ý trong nhiều thiết kế là nhiễu RF. Cần phải ngăn chặn tiếng ồn RF kết hợp với mạch âm thanh và tạo ra tiếng ồn có thể nghe được sau khi giải điều chế. Để giải quyết vấn đề này, cần phải tách mạch RF và mạch âm thanh càng nhiều càng tốt.

Sau khi phân chia PCB thành các khu vực analog, digital và RF, bố cục thành phần của phần analog cần được xem xét. Bố trí thành phần nên giữ cho đường dẫn tín hiệu âm thanh ngắn nhất và bộ khuếch đại âm thanh phải càng gần giắc cắm tai nghe và loa càng tốt, do đó giảm thiểu bức xạ EMI của bộ khuếch đại âm thanh Class D và tín hiệu tai nghe có nhiễu ghép tối thiểu. Nguồn tín hiệu âm thanh analog phải càng gần đầu vào của bộ khuếch đại âm thanh càng tốt để giảm thiểu nhiễu ghép nối đầu vào. Tất cả các dây dẫn đầu vào là ăng-ten được sử dụng cho tín hiệu RF và việc rút ngắn chiều dài dây dẫn giúp giảm hiệu ứng bức xạ ăng-ten của băng tần tương ứng.

Ví dụ về Component Layout

Hình 1 cho thấy một bố cục không hợp lý của các thành phần âm thanh. Vấn đề nghiêm trọng hơn là bộ khuếch đại âm thanh quá xa nguồn tín hiệu âm thanh. Các dây dẫn đi qua các mạch kỹ thuật số ồn ào và mạch chuyển mạch, làm tăng cơ hội ghép tiếng ồn. Các dây dẫn dài hơn cũng tăng cường hiệu ứng của ăng ten RF. Điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM. Những ăng-ten này có thể nhận tín hiệu được truyền bởi GSM và gửi chúng vào bộ khuếch đại âm thanh. Hầu như tất cả các bộ khuếch đại có thể giải điều chế bao bì 217Hz ở một mức độ nào đó, tạo ra tiếng ồn ở đầu ra. Trong trường hợp xấu nhất, tiếng ồn có thể làm ngập hoàn toàn tín hiệu âm thanh. Giảm độ dài của dây dẫn đầu vào có thể làm giảm tiếng ồn kết hợp với bộ khuếch đại âm thanh một cách hiệu quả.

Có một vấn đề khác với cách bố trí các thành phần được hiển thị trong Hình 1: Bộ khuếch đại hoạt động quá xa loa và ổ cắm tai nghe. Nếu bộ khuếch đại âm thanh sử dụng bộ khuếch đại Class D, dây dẫn tai nghe dài hơn sẽ làm tăng bức xạ EMI của bộ khuếch đại. Bức xạ này có thể khiến thiết bị không đáp ứng các tiêu chuẩn thử nghiệm do chính quyền địa phương đặt ra. Tai nghe dài hơn và dây dẫn micrô cũng làm tăng trở kháng dây dẫn và giảm lượng điện năng có thể đạt được với tải.

Cuối cùng, vì các thành phần rất phân tán, kết nối giữa các thành phần sẽ phải đi qua các hệ thống con khác. Điều này không những làm tăng độ khó định tuyến cho phần âm thanh, mà còn làm tăng độ khó định tuyến cho các hệ thống con khác.

Hình 1: Cách bố trí các thành phần không hợp lý.

Hình 2 cho thấy sự sắp xếp của các thành phần tương tự trong Hình 1. Các yếu tố được sắp xếp lại có thể sử dụng không gian hiệu quả hơn và rút ngắn chiều dài của dây dẫn. Lưu ý rằng tất cả các mạch âm thanh được phân phối gần giắc cắm tai nghe và loa, đầu vào và đầu ra âm thanh ngắn hơn nhiều so với các giải pháp trên và không có mạch âm thanh nào được đặt ở các khu vực khác của PCB. Thiết kế như vậy có thể làm giảm tiếng ồn hệ thống, giảm nhiễu tần số vô tuyến và đơn giản hóa hệ thống dây điện.

Hình 2: Cách bố trí hợp lý của điện thoại

Con đường tín hiệu

Đường dẫn tín hiệu có tác động rất hạn chế đến tiếng ồn và biến dạng đầu ra âm thanh, có nghĩa là các biện pháp thỏa hiệp cần được cung cấp để đảm bảo hiệu suất là rất hạn chế.

Bộ khuếch đại loa thường được cung cấp năng lượng trực tiếp từ pin và đòi hỏi dòng điện đáng kể. Nếu bạn sử dụng dây nguồn mỏng, gợn điện sẽ tăng lên. Các dây dẫn dài có trở kháng cao hơn so với các dây dẫn ngắn và rộng, và sự thay đổi hiện tại do trở kháng của dây dẫn sẽ được chuyển đổi thành sự thay đổi điện áp và được đưa vào thiết bị. Để tối ưu hóa hiệu suất, bộ khuếch đại nên sử dụng dây dẫn ngắn nhất có thể.

Tín hiệu khác biệt nên được sử dụng càng nhiều càng tốt. Đầu vào vi sai có khả năng ức chế tiếng ồn cao, cho phép bộ thu vi sai ức chế tiếng ồn chế độ chung trên các đường tín hiệu tích cực và tiêu cực. Để tận dụng tối đa lợi thế của bộ khuếch đại vi sai, điều quan trọng là phải duy trì cùng chiều dài của cặp tín hiệu vi sai trong khi định tuyến để chúng có cùng trở kháng và cả hai đều ở gần nhau nhất có thể để tạo ra tiếng ồn khớp nối giống nhau. Đầu vào vi sai của bộ khuếch đại rất hiệu quả trong việc ngăn chặn tiếng ồn từ các mạch kỹ thuật số của hệ thống.

Tiếp đất

Đối với mạch âm thanh, nối đất là rất quan trọng để đáp ứng các yêu cầu hiệu suất của hệ thống âm thanh. Việc nối đất không hợp lý có thể dẫn đến biến dạng tín hiệu lớn hơn, nhiễu cao, nhiễu mạnh và giảm khả năng ức chế tần số vô tuyến. Thật khó để các nhà thiết kế đầu tư nhiều thời gian vào bố trí dây nối đất, nhưng bố trí dây nối đất cẩn thận có thể tránh được nhiều vấn đề khó khăn.

Trong bất kỳ hệ thống nào, nối đất có hai cân nhắc quan trọng: thứ nhất, đó là đường dẫn trở lại của dòng điện chạy qua thiết bị và thứ hai, đó là tiềm năng tham chiếu cho các mạch kỹ thuật số và tương tự. Nó có vẻ đơn giản để đảm bảo rằng điện áp là như nhau tại bất kỳ điểm nào của đường dây mặt đất, nhưng nó thực sự là không thể. Tất cả các dây dẫn đều có trở kháng, và bất cứ khi nào có dòng điện chạy qua dây đất, một sự giảm điện áp tương ứng sẽ được tạo ra. Các dây dẫn mạch cũng tạo thành cảm ứng, có nghĩa là dòng điện chạy từ pin đến tải và sau đó quay trở lại pin. Có một cảm ứng nhất định trong toàn bộ đường dẫn hiện tại. Khi làm việc ở tần số cao hơn, cảm ứng làm tăng trở kháng mặt đất.

Thiết kế bố cục dây nối đất tốt nhất cho một hệ thống cụ thể không đơn giản. Dưới đây là các quy tắc chung áp dụng cho tất cả các hệ thống.

1. Tạo mặt phẳng nối đất liên tục cho mạch kỹ thuật số

Dòng điện kỹ thuật số từ mặt phẳng mặt đất được trả lại thông qua đường dẫn tín hiệu và diện tích của vòng lặp nên được giữ ở mức tối thiểu để giảm hiệu ứng ăng ten và cảm ứng ký sinh. Đảm bảo rằng tất cả các tín hiệu kỹ thuật số có đường dẫn mặt đất tương ứng. Lớp này phải bao phủ cùng một khu vực với các tín hiệu kỹ thuật số dẫn đầu với ít điểm ngắt nhất có thể. Một điểm ngắt mặt đất, bao gồm cả quá lỗ, sẽ làm cho dòng điện mặt đất chảy qua một mạch lớn hơn, tạo ra bức xạ và tiếng ồn lớn hơn.

2. Đảm bảo cách ly dòng điện mặt đất

Dòng điện nối đất của mạch kỹ thuật số và mạch tương tự nên được giữ cách ly để ngăn chặn dòng điện kỹ thuật số can thiệp vào mạch tương tự. Để đạt được điều này, các thành phần cần được sắp xếp đúng cách. Nếu mạch analog được bố trí ở một khu vực của PCB và mạch kỹ thuật số được bố trí ở một khu vực khác, dòng điện mặt đất sẽ được cách ly tự nhiên. Mạch analog tốt nhất là có lớp PCB độc lập.

3. Mạch tương tự sử dụng mặt đất hình ngôi sao

Star Ground xem một điểm của PCB là một điểm chung và chỉ điểm này là tiềm năng mặt đất. Trong điện thoại di động, các thiết bị đầu cuối mặt đất pin thường được sử dụng làm điểm nối sao. Dòng điện chảy vào mặt đất không tự động biến mất. Tất cả các dòng điện nối đất sẽ chảy vào địa điểm nối đất này.

Bộ khuếch đại âm thanh hấp thụ dòng điện đáng kể, điều này sẽ ảnh hưởng đến vị trí tham chiếu của mạch và các hệ thống khác. Để giải quyết vấn đề này, tốt nhất là cung cấp một vòng chuyên dụng để nối đất nguồn của bộ khuếch đại và vòng nối đất của giắc cắm tai nghe. Xin lưu ý rằng các vòng chuyên dụng này không vượt qua các đường tín hiệu kỹ thuật số vì chúng cản trở dòng điện trở lại kỹ thuật số.

4. Tối đa hóa vai trò của tụ điện bỏ qua

Hầu như tất cả các thiết bị đều yêu cầu tụ điện bỏ qua để cung cấp dòng điện thoáng qua mà nguồn điện không thể cung cấp. Các tụ điện này phải càng gần chân nguồn càng tốt để giảm cảm ký sinh giữa tụ điện và chân thiết bị. Cảm ứng sẽ làm giảm tác động của tụ điện bỏ qua. Ngoài ra, tụ điện phải có trở kháng mặt đất thấp, do đó làm giảm trở kháng tần số cao của tụ điện. Pin nối đất của tụ điện nên được kết nối trực tiếp với lớp kết nối, không nối đất bằng dây dẫn.

5. Đổ đồng như hình thành trên tất cả các khu vực PCB không sử dụng

Khi hai lá đồng ở gần nhau, một điện dung ghép nối nhỏ được hình thành giữa chúng. Đặt một đường nối đất gần đường tín hiệu, tiếng ồn tần số cao trên đường tín hiệu sẽ ngắn mạch.

Kết luận

PCB được thiết kế tốt là một nhiệm vụ tốn thời gian và đầy thách thức, nhưng nó thực sự đáng để đầu tư. Bố trí PCB tốt có thể giúp giảm nhiễu hệ thống, tăng ức chế tín hiệu RF và giảm biến dạng tín hiệu. Thiết kế PCB tốt cũng sẽ cải thiện hiệu suất EMI và có thể yêu cầu ít che chắn hơn.

Nếu PCB không hợp lý, có những vấn đề có thể tránh được trong giai đoạn thử nghiệm. Tại thời điểm này, nếu các biện pháp được thực hiện, có thể đã quá muộn và rất khó để giải quyết các vấn đề đang phải đối mặt. Nó đòi hỏi nhiều thời gian và nỗ lực hơn và đôi khi thêm các thành phần bổ sung, làm tăng chi phí và sự phức tạp của hệ thống.