手持式產(chǎn)品RF電路及其音頻電路的PCB設(shè)計(jì)技巧
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時(shí)間：2013-06-14
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1、元件布局
先述布局總原則：元器件應(yīng)盡可能同一方向排列，通過(guò)選擇PCB進(jìn)入熔錫系統(tǒng)的方向來(lái)減少甚至避免焊接不良的現(xiàn)象；由實(shí)踐所知，元器件間最少要有0.5mm的間距才能滿(mǎn)足元器件的熔錫要求，若PCB板的空間允許，元器件的間距應(yīng)盡可能寬。對(duì)于雙面板一般應(yīng)設(shè)計(jì)一面為SMD及SMC元件，另一面則為分立元件。
*把PCB劃分成數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)
任何PCB設(shè)計(jì)的第一步當(dāng)然是選擇每個(gè)元件的PCB擺放位。我們把這一步稱(chēng)為“布板考慮“。仔細(xì)的元件布局可以減少信號(hào)互連、地線(xiàn)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(gè)電路模塊盡量不產(chǎn)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(guān)系到所設(shè)計(jì)電路的性能。
因此，在進(jìn)行RF電路PCB設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮普通PCB設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)其它電路的干擾以及電路本身的抗干擾能力。
由經(jīng)驗(yàn)實(shí)所知，對(duì)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(biāo)，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(shù)字電路和模擬電路，為了防止數(shù)字噪聲對(duì)敏感的模擬電路的干擾，必須將二者分隔開(kāi)，把PCB劃分成數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)有助于改善此類(lèi)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(chǎn)品的RF部分通常被當(dāng)作模擬電路處理，許多設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的一個(gè)共同問(wèn)題是RF噪聲，需要防止RF噪聲耦合到音頻電路，因RF噪聲經(jīng)過(guò)解調(diào)后產(chǎn)生可聞噪音。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要把RF電路和音頻電路盡可能分隔開(kāi)。在將PCB劃分成模擬、數(shù)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(hào)的路徑最短，音頻放大器要盡可能靠近耳機(jī)插孔和揚(yáng)聲器放置，使D類(lèi)音頻放大器的EMI輻射最小，耳機(jī)信號(hào)的耦合噪音最小。模擬音頻信號(hào)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(xiàn)對(duì)RF信號(hào)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)天線(xiàn)，縮短引線(xiàn)長(zhǎng)度有助于降低相應(yīng)頻段的天線(xiàn)輻射效應(yīng)。
2、元件布置應(yīng)注意的問(wèn)題與應(yīng)用舉例
2.1 布局中應(yīng)注意的問(wèn)題：
* 認(rèn)真分析電路結(jié)構(gòu)。對(duì)電路進(jìn)行分塊處理（如高頻放大電路、混頻電路及解調(diào)電路等），盡可能將強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)分開(kāi)，在將數(shù)字信號(hào)電路和模擬信號(hào)電路分開(kāi)后，也應(yīng)注意將完成同一功能的電路應(yīng)盡量安排在一定的范圍之內(nèi)，從而減小信號(hào)環(huán)路面積；各部分電路的濾波網(wǎng)絡(luò)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(jù)單元電路在使用中對(duì)電磁兼容性敏感程度不同進(jìn)行分組。對(duì)于電路中易受干擾部分的元器件在布局時(shí)還應(yīng)盡量避開(kāi)干擾源（比如來(lái)自數(shù)據(jù)處理板上CPU的干擾等）。
2.2 元件布置對(duì)音頻信號(hào)影響的舉例
* 不合理的元件布局對(duì)音頻信品質(zhì)影響
圖1給出一個(gè)不合理的音頻元件布局，比較嚴(yán)重的問(wèn)題有二：其一是音頻放大器離音頻信號(hào)源太遠(yuǎn)，由于引線(xiàn)從嘈雜的數(shù)字電路和開(kāi)關(guān)電路附近穿過(guò)，從而增加了噪音耦合的幾率。較長(zhǎng)的引線(xiàn)也增強(qiáng)了RF天線(xiàn)效應(yīng)。 如手機(jī)電話(huà)采用GSM技術(shù)，這些天線(xiàn)能夠拾取GSM發(fā)射信號(hào)，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(diào)217Hz包絡(luò)，在輸出端產(chǎn)生噪音。糟糕時(shí)，噪音可能會(huì)將音頻信號(hào)完全淹沒(méi)掉，縮短輸入引線(xiàn)的長(zhǎng)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(yáng)聲器和耳機(jī)插座太遠(yuǎn)。如果音頻放大器采用的是D類(lèi)放大器，較長(zhǎng)的耳機(jī)引線(xiàn)會(huì)增大該放大器的EMI輻射。這種輻射有可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法通過(guò)當(dāng)?shù)卣贫ǖ臏y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。較長(zhǎng)的耳機(jī)和麥克風(fēng)引線(xiàn)還會(huì)增大引線(xiàn)阻抗，降低負(fù)載能夠獲取的功率。最后，因?yàn)樵贾玫萌绱朔稚ⅲg的連線(xiàn)將不得不穿過(guò)其它子系統(tǒng)。這不僅會(huì)增加音頻部分的布線(xiàn)難度，也增大了其它子系統(tǒng)的布線(xiàn)難度。
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圖1不合理的元件布局示意對(duì)音頻信品質(zhì)影響 |
* 合理的元件布局對(duì)音頻信號(hào)品質(zhì)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(xiàn)長(zhǎng)度。注意，所有音頻電路分配在耳機(jī)插孔和揚(yáng)聲器附近，音頻輸入、輸出引線(xiàn)比上述方案短得多，PCB的其它區(qū)域沒(méi)有放置音頻電路。這樣的設(shè)計(jì)能夠全面降低系統(tǒng)噪音，減小RF干擾，并且布線(xiàn)簡(jiǎn)單。
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圖2. 合理的元件布局示意對(duì)音頻信號(hào)品質(zhì)改善 |
3 、布線(xiàn)原則與技巧
在基本完成元器件的布局后，就可開(kāi)始布線(xiàn)了。
3.1 布線(xiàn)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(xiàn)設(shè)計(jì)，并且信號(hào)走線(xiàn)盡量粗細(xì)一致，有利于阻抗匹配。
對(duì)于RF電路，信號(hào)線(xiàn)的走向、寬度、線(xiàn)間距的不合理設(shè)計(jì)，可能造成信號(hào)信號(hào)傳輸線(xiàn)之間的交叉干擾。而信號(hào)通路對(duì)音頻輸出噪音和失真的影響非常有限，也就是說(shuō)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(dāng)大的電流。如果使用長(zhǎng)而細(xì)的電源引線(xiàn)，會(huì)增大電源紋波。與短而寬的引線(xiàn)相比，又長(zhǎng)又細(xì)的引線(xiàn)阻抗較大，引線(xiàn)阻抗產(chǎn)生的電流變化會(huì)轉(zhuǎn)變成電壓變化，饋送到器件內(nèi)部。為了優(yōu)化性能，放大器電源應(yīng)使用盡可能短的引線(xiàn)。應(yīng)該盡可能使用差分信號(hào)。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(fù)信號(hào)線(xiàn)上的共模噪聲。為充分利用差分放大器的優(yōu)勢(shì)，布線(xiàn)時(shí)保持相同的差分信號(hào)線(xiàn)對(duì)的長(zhǎng)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(duì)抑制來(lái)自系統(tǒng)數(shù)字電路的噪聲非常有效。另外，系統(tǒng)電源自身還存在噪聲干擾，所以在設(shè)計(jì)RF電路PCB時(shí)一定要綜合考慮，合理布線(xiàn)。
3.2 布線(xiàn)技巧
布線(xiàn)時(shí)，所有走線(xiàn)應(yīng)遠(yuǎn)離PCB板的邊框（2mm左右），以免PCB板制作時(shí)造成斷線(xiàn)或有斷線(xiàn)的隱患。電源線(xiàn)要盡中能寬，以減少環(huán)路電阻，同時(shí)，使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，以提高抗干擾能力；所布信號(hào)線(xiàn)應(yīng)盡可能短，并盡量減少過(guò)孔數(shù)目；各元器件間的連線(xiàn)越短越好，以減少分布參數(shù)和相互間的電磁干擾；對(duì)于不相容的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)量相互遠(yuǎn)離，而且盡量避免平行走線(xiàn)，而在正向兩面的信號(hào)線(xiàn)應(yīng)用互垂直；布線(xiàn)時(shí)在需要拐角的地址方應(yīng)以135°角為宜，避免拐直角。
4、接地
在射頻電路PCB設(shè)計(jì)中，電源線(xiàn)和地線(xiàn)的正確布線(xiàn)顯得尤其重要，合理的設(shè)計(jì)是克服電磁干擾的最重要的手段。PCB上相當(dāng)多的干擾源是通過(guò)電源和地線(xiàn)產(chǎn)生的，其中地線(xiàn)引起的噪聲干擾最大。地線(xiàn)容易形成電磁干擾的主要原因于地線(xiàn)存在阻抗。當(dāng)有電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，就會(huì)在地線(xiàn)上產(chǎn)生電壓，從而產(chǎn)
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