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        《電子技術應用》
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        手持式產品RF電路及其音頻電路的PCB設計技巧
        摘要: PCB是信息產業的基礎,從計算機、便攜式電子設備等,幾乎所有的電子電器產品中都有電路板的存在。
        Abstract:
        Key words :

        PCB" target="_blank">PCB是信息產業的基礎,從計算機、便攜式電子設備等,幾乎所有的電子電器產品中都有電路板的存在。隨著通信技術的發展,手持無線射頻電路技術運用越來越廣,這些設備(如手機、無線PDA等)的一個最大特點是:第一、幾乎囊括了便攜式的所有子系統;第二、小型化,而小型化意味著元器件的密度很大,這使得元器件(包括SMD、SMC、裸片等)的相互干擾十分突出。因此,要設計一個完美的射頻電路與音頻電路的PCB,以防止并抑制電磁干擾從而提高電磁兼容性就成為一個非常重要的課題。因為同一電路,不同的PCB設計結構,其性能指標會相差很大。尤其是當今手持式產品的音頻功能在持續增加,必須給予音頻電路PCB布局更加關注.據此本文對手持式產品RF電路與音頻電路的PCB的巧妙設計(即包括元件布局、元件布置、布線與接地等技巧)作分析說明。

        1、元件布局

        先述布局總原則:元器件應盡可能同一方向排列,通過選擇PCB進入熔錫系統的方向來減少甚至避免焊接不良的現象;由實踐所知,元器件間最少要有0.5mm的間距才能滿足元器件的熔錫要求,若PCB板的空間允許,元器件的間距應盡可能寬。對于雙面板一般應設計一面為SMD及SMC元件,另一面則為分立元件。

        *把PCB劃分成數字區和模擬區

        任何PCB設計的第一步當然是選擇每個元件的PCB擺放位。我們把這一步稱為“布板考慮“。仔細的元件布局可以減少信號互連、地線分割、噪音耦合以及占用電路板的面積。

        電磁兼容性要求每個電路模塊盡量不產生電磁輻射,并且具有一定的抗電磁干擾能力,因此,元器件的布局還直接影響到電路本身的干擾及抗干擾能力,這也直接關系到所設計電路的性能。

        因此,在進行RF電路PCB設計時除了要考慮普通PCB設計時的布局外,主要還須考慮如何減小RF電路中各部分之間相互干擾、如何減小電路本身對其它電路的干擾以及電路本身的抗干擾能力。

        由經驗實所知,對于RF電路效果的好壞不僅取決于RF電路板本身的性能指標,很大部分還取決于與CPU處理板間的相互影響。由于RF電路包含數字電路和模擬電路,為了防止數字噪聲對敏感的模擬電路的干擾,必須將二者分隔開,把PCB劃分成數字區和模擬區有助于改善此類電路布局,顯得尤為重要。

        *需要防止RF噪聲耦合到音頻電路

        雖然手持式產品的RF部分通常被當作模擬電路處理,許多設計中需要關注的一個共同問題是RF噪聲,需要防止RF噪聲耦合到音頻電路,因RF噪聲經過解調后產生可聞噪音。為了解決這個問題,需要把RF電路和音頻電路盡可能分隔開。在將PCB劃分成模擬、數字后,需要考慮模擬部分的元件布置。元件布局要使音頻信號的路徑最短,音頻放大器要盡可能靠近耳機插孔和揚聲器放置,使D類音頻放大器的EMI輻射最小,耳機信號的耦合噪音最小。模擬音頻信號源須盡可能靠近音頻放大器的輸入端,使輸入耦合噪聲最小。所有輸入引線對RF信號來說都是一個天線,縮短引線長度有助于降低相應頻段的天線輻射效應。

        2、元件布置應注意的問題與應用舉例

        2.1 布局中應注意的問題:

        * 認真分析電路結構。對電路進行分塊處理(如高頻放大電路、混頻電路及解調電路等),盡可能將強電信號和弱電信號分開,在將數字信號電路和模擬信號電路分開后,也應注意將完成同一功能的電路應盡量安排在一定的范圍之內,從而減小信號環路面積;各部分電路的濾波網絡必須就近連接,這樣不僅可以減小輻射,而且可以減少被干擾的幾率及提高電路的抗干擾能力。

        * 根據單元電路在使用中對電磁兼容性敏感程度不同進行分組。對于電路中易受干擾部分的元器件在布局時還應盡量避開干擾源(比如來自數據處理板上CPU的干擾等)。

        2.2 元件布置對音頻信號影響的舉例

        * 不合理的元件布局對音頻信品質影響

        圖1給出一個不合理的音頻元件布局,比較嚴重的問題有二:其一是音頻放大器離音頻信號源太遠,由于引線從嘈雜的數字電路和開關電路附近穿過,從而增加了噪音耦合的幾率。較長的引線也增強了RF天線效應。 如手機電話采用GSM技術,這些天線能夠拾取GSM發射信號,并將其饋入音頻放大器。幾乎所有放大器都能一定程度上解調217Hz包絡,在輸出端產生噪音。糟糕時,噪音可能會將音頻信號完全淹沒掉,縮短輸入引線的長度能夠有效降低耦合到音頻放大器的噪聲.其二音頻是放大器放距離揚聲器和耳機插座太遠。如果音頻放大器采用的是D類放大器,較長的耳機引線會增大該放大器的EMI輻射。這種輻射有可能導致設備無法通過當地政府制定的測試標準。較長的耳機和麥克風引線還會增大引線阻抗,降低負載能夠獲取的功率。最后,因為元件布置得如此分散,元件之間的連線將不得不穿過其它子系統。這不僅會增加音頻部分的布線難度,也增大了其它子系統的布線難度。
         

        圖1不合理的元件布局示意對音頻信品質影響


        * 合理的元件布局對音頻信號品質改善

        圖2給出了圖1相同元件的排列,重新排列的元件能夠更有效地利用空間,縮短引線長度。注意,所有音頻電路分配在耳機插孔和揚聲器附近,音頻輸入、輸出引線比上述方案短得多,PCB的其它區域沒有放置音頻電路。這樣的設計能夠全面降低系統噪音,減小RF干擾,并且布線簡單。
         

         

        圖2. 合理的元件布局示意對音頻信號品質改善 


        3 、布線原則與技巧

        在基本完成元器件的布局后,就可開始布線了。

        3.1 布線的基本原則

        在組裝密度許可情況下后,盡量選用低密度布線設計,并且信號走線盡量粗細一致,有利于阻抗匹配。

        對于RF電路,信號線的走向、寬度、線間距的不合理設計,可能造成信號信號傳輸線之間的交叉干擾。而信號通路對音頻輸出噪音和失真的影響非常有限,也就是說為了保證性能需要提供的折中措施很有限。音頻放大器通常由電池直接供電,需要相當大的電流。如果使用長而細的電源引線,會增大電源紋波。與短而寬的引線相比,又長又細的引線阻抗較大,引線阻抗產生的電流變化會轉變成電壓變化,饋送到器件內部。為了優化性能,放大器電源應使用盡可能短的引線。應該盡可能使用差分信號。差分輸入具有較高的噪聲抑制,使得差分接收器能夠抑制正、負信號線上的共模噪聲。為充分利用差分放大器的優勢,布線時保持相同的差分信號線對的長度非常重要,使其具有相同的阻抗,二者盡可能相互靠近使其耦合噪聲相同。放大器的差分輸入對抑制來自系統數字電路的噪聲非常有效。另外,系統電源自身還存在噪聲干擾,所以在設計RF電路PCB時一定要綜合考慮,合理布線。

        3.2 布線技巧

        布線時,所有走線應遠離PCB板的邊框(2mm左右),以免PCB板制作時造成斷線或有斷線的隱患。電源線要盡中能寬,以減少環路電阻,同時,使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致,以提高抗干擾能力;所布信號線應盡可能短,并盡量減少過孔數目;各元器件間的連線越短越好,以減少分布參數和相互間的電磁干擾;對于不相容的信號線應量相互遠離,而且盡量避免平行走線,而在正向兩面的信號線應用互垂直;布線時在需要拐角的地址方應以135°角為宜,避免拐直角。

        4、接地

        在射頻電路PCB設計中,電源線和地線的正確布線顯得尤其重要,合理的設計是克服電磁干擾的最重要的手段。PCB上相當多的干擾源是通過電源和地線產生的,其中地線引起的噪聲干擾最大。地線容易形成電磁干擾的主要原因于地線存在阻抗。當有電流流過地線時,就會在地線上產生電壓,從而產生地線環路電流,形成地線的環路干擾。當多個電路共用一段地線時,就會形成公共阻抗耦合,從而產生所謂的地線噪聲。因此,在對RF電路PCB的地線進行布線時應該做到:

        *對電路進行分塊處理,射頻電路基本上可分成高頻放大、混頻、解調、本振等部分,要為各個電路模塊提供一個公共電位參考點即各模塊電路各自的地線,這樣信號就可以在不同的電路模塊之間傳輸。然后,匯總于射頻電路PCB接入地線的地方,即匯總于總地線。由于只存在一個參考點,因此沒有公共阻抗耦合存在,從而也就沒有相互干擾問題。

        *數字區與模擬區盡可能地線進行隔離,并且數字地與模擬地要分離,最后接于電源地。

        *在空間允許的情況下,各模塊之間最好能以地線進行隔離,防止相互之間的信號耦合效應。

        對于音頻電路,接地對于是否能夠達到音頻系統的性能要求至關重要。任何系統中接地有兩個重要考慮:首先它是流過器件的電流返回路徑,其次是數字和模擬電路的參考電位。這里給出了適用于所有系統的技巧:

        *為數字電路建立一個連續的地平面。地層的數字電流通過信號路徑返回,該環路的面積應保持最小,以降低天線效應和寄生電感。確保所有數字信號引線具有對應的接地通路,這一層應該與數字信號引線覆蓋相同的面積,具有盡可能少的斷點。地層的斷點,包括過孔,會使地電流流過更大的環路,因而產生更大的輻射和噪聲。

        *保證地電流隔離。數字電路和模擬電路的地電流要保持隔離,以阻止數字電流對模擬電路的干擾。為了達到這一目標,需要正確排列元件。如果把模擬電路布置在PCB的一個區域,把數字電路布置在另一區域,地電流會自然隔離開。最好使模擬電路具有獨立的PCB分層。

        *模擬電路采用星形接地。星形接地是將PCB的一點看作公共接地點,而且只有這一點被當作地電位,蜂窩電話中,電池地端通常被作為星形接地點,流入地平面的電流不會自動消失,所有地電流都將匯入到這個接地點。音頻放大器吸收相當大的電流,這會影響電路本身的參考地和其它系統的參考地。為了解決這一問題,最好提供一個專用的返回回路橋接放大器的功率地和耳機插孔的地回路。注意,這些專用的回路不要穿越數字信號線,因為它們會阻礙數字返回電流。

        *最大化旁路電容作用。幾乎所有器件都需要一個旁路電容,以提供電源不能提供的瞬態電流。這些電容需盡可能靠近電源引腳放置,以減少電容和器件引腳之間的寄生電感,電感會降低旁路電容的作用。

        接地分布的電路板實例

        以用于評估超低EMI、1.5W、無濾波D類音頻功率放大器和80mW DirectDriv耳機放大器MAX9776評估板為例作說明。

        圖3是一個具有較好接地分布的電路板實例(即絲印層和地層舉例),圖3(a)為應元件布局A(正)面,圖3(b)為應元件布局B(背).首先需要注意PCB底部為數字區域,頂部為模擬區域。穿越區域邊界的唯一信號線是I2C控制信號,這些信號線有一個直接的返回路徑,確保數字信號只存在于數字區域,沒有地層分割導致的數字地電流。還要注意大部分地平面是連續的,即使數字區域有一些中斷,但彼此之間的距離足夠遠,保證了電流通道的順暢。在這個例子中,星形接地點在PCB頂層的左上角。模擬地層的斷點確保D類放大器和電荷泵的電流直接返回星形接地點,不會干擾其它模擬層。另外,還需注意耳機插孔有一條引線直接將耳機地電流返回到星形接地點。
         

         

        5、結論

        以上設計良好的PCB是一件耗時,同時也是極具挑戰性的工作,但這種投入也的確是值得的。好的PCB布局有助于降低系統噪音,提高RF信號的抑制能力,減小信號失真。好的PCB設計還會改善EMI性能,有可能需要更少的屏蔽。如果PCB不合理,會在測試階段出現本來可以避免的問題。這時在采取措施的話,可能為時已晚,很難解決所面臨的問題,需要投入更多的時間、花費更大的精力,有時還要添加額外的元件,增加系統成本和復雜性。

        如今PCB的技術主要按電子產品的特性及要求而改變,在近年來電子產品日趨多功能、精巧并符合環保條例。故此,PCB的精密度日高,其軟硬板結合應用也將增加。
         

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