手持式產品RF電路及其音頻電路的PCB設計技巧
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
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(qū)和模擬區(qū)
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(qū)和模擬區(qū)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(huán)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(fā)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(qū)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(yōu)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(yōu)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(huán)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
模擬信號相關文章:什么是模擬信號
電路相關文章:電路分析基礎
評論