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RF电路及其音频电路的PCB设计技巧

发布时间:2018-04-20 热度:

PCB是信息产业的基础,从计算机、便携式电子设备等,几乎所有的电子电器产品中都有电路板的存在。随着通信技术的发展,手持无线射频电路技术运用越来越广,这些设备(如手机、无线PDA等)的一个最大特点是:第一、几乎囊括了便携式的所有子系统;第二、小型化,而小型化意味着元器件的密度很大,这使得元器件(包括SMD、SMC、裸片等)的相互干扰十分突出。因此,要设计一个完美的射频电路与音频电路的PCB,以防止并抑制电磁干扰从而提高电磁兼容性就成为一个非常重要的课题。因为同一电路,不同的PCB设计结构,其性能指标会相差很大。尤其是当今手持式产品的音频功能在持续增加,必须给予音频电路PCB布局更加关注.据此本文对手持式产品RF电路与音频电路的PCB的巧妙设计(即包括元件布局、元件布置、布线与接地等技巧)作分析说明。

  1、元件布局

  先述布局总原则:元器件应尽可能同一方向排列,通过选择PCB进入熔锡系统的方向来减少甚至避免焊接不良的现象;由实践所知,元器件间最少要有0.5mm的间距才能满足元器件的熔锡要求,若PCB板的空间允许,元器件的间距应尽可能宽。对于双面板一般应设计一面为SMD及SMC元件,另一面则为分立元件。

  *把PCB划分成数字区和模拟区

  任何PCB设计的第一步当然是选择每个元件的PCB摆放位。我们把这一步称为“布板考虑“。仔细的元件布局可以减少信号互连、地线分割、噪音耦合以及占用电路板的面积。

  电磁兼容性要求每个电路模块尽量不产生电磁辐射,并且具有一定的抗电磁干扰能力,因此,元器件的布局还直接影响到电路本身的干扰及抗干扰能力,这也直接关系到所设计电路的性能。

  因此,在进行RF电路PCB设计时除了要考虑普通PCB设计时的布局外,主要还须考虑如何减小RF电路中各部分之间相互干扰、如何减小电路本身对其它电路的干扰以及电路本身的抗干扰能力。

  由经验实所知,对于RF电路效果的好坏不仅取决于RF电路板本身的性能指标,很大部分还取决于与CPU处理板间的相互影响。由于RF电路包含数字电路和模拟电路,为了防止数字噪声对敏感的模拟电路的干扰,必须将二者分隔开,把PCB划分成数字区和模拟区有助于改善此类电路布局,显得尤为重要。

  *需要防止RF噪声耦合到音频电路

  虽然手持式产品的RF部分通常被当作模拟电路处理,许多设计中需要关注的一个共同问题是RF噪声,需要防止RF噪声耦合到音频电路,因RF噪声经过解调后产生可闻噪音。为了解决这个问题,需要把RF电路和音频电路尽可能分隔开。在将PCB划分成模拟、数字后,需要考虑模拟部分的元件布置。元件布局要使音频信号的路径最短,音频放大器要尽可能靠近耳机插孔和扬声器放置,使D类音频放大器的EMI辐射最小,耳机信号的耦合噪音最小。模拟音频信号源须尽可能靠近音频放大器的输入端,使输入耦合噪声最小。所有输入引线对RF信号来说都是一个天线,缩短引线长度有助于降低相应频段的天线辐射效应。

  2、元件布置应注意的问题与应用举例

  2.1 布局中应注意的问题:

  * 认真分析电路结构。对电路进行分块处理(如高频放大电路、混频电路及解调电路等),尽可能将强电信号和弱电信号分开,在将数字信号电路和模拟信号电路分开后,也应注意将完成同一功能的电路应尽量安排在一定的范围之内,从而减小信号环路面积;各部分电路的滤波网络必须就近连接,这样不仅可以减小辐射,而且可以减少被干扰的几率及提高电路的抗干扰能力。

  * 根据单元电路在使用中对电磁兼容性敏感程度不同进行分组。对于电路中易受干扰部分的元器件在布局时还应尽量避开干扰源(比如来自数据处理板上CPU的干扰等)。

  2.2 元件布置对音频信号影响的举例

  * 不合理的元件布局对音频信品质影响

 

图1给出一个不合理的音频元件布局,比较严重的问题有二:其一是音频放大器离音频信号源太远,由于引线从嘈杂的数字电路和开关电路附近穿过,从而增加了噪音耦合的几率。较长的引线也增强了RF天线效应。 如手机电话采用GSM技术,这些天线能够拾取GSM发射信号,并将其馈入音频放大器。几乎所有放大器都能一定程度上解调217Hz包络,在输出端产生噪音。糟糕时,噪音可能会将音频信号完全淹没掉,缩短输入引线的长度能够有效降低耦合到音频放大器的噪声.其二音频是放大器放距离扬声器和耳机插座太远。如果音频放大器采用的是D类放大器,较长的耳机引线会增大该放大器的EMI辐射。这种辐射有可能导致设备无法通过当地政府制定的测试标准。较长的耳机和麦克风引线还会增大引线阻抗,降低负载能够获取的功率。最后,因为元件布置得如此分散,元件之间的连线将不得不穿过其它子系统。这不仅会增加音频部分的布线难度,也增大了其它子系统的布线难度。


  图1不合理的元件布局示意对音频信品质影响

  * 合理的元件布局对音频信号品质改善

  图2给出了图1相同元件的排列,重新排列的元件能够更有效地利用空间,缩短引线长度。注意,所有音频电路分配在耳机插孔和扬声器附近,音频输入、输出引线比上述方案短得多,PCB的其它区域没有放置音频电路。这样的设计能够全面降低系统噪音,减小RF干扰,并且布线简单。


  图2. 合理的元件布局示意对音频信号品质改善

  3 、布线原则与技巧

  在基本完成元器件的布局后,就可开始布线了。

  3.1 布线的基本原则

  在组装密度许可情况下后,尽量选用低密度布线设计,并且信号走线尽量粗细一致,有利于阻抗匹配。

  对于RF电路,信号线的走向、宽度、线间距的不合理设计,可能造成信号信号传输线之间的交叉干扰。而信号通路对音频输出噪音和失真的影响非常有限,也就是说为了保证性能需要提供的折中措施很有限。音频放大器通常由电池直接供电,需要相当大的电流。如果使用长而细的电源引线,会增大电源纹波。与短而宽的引线相比,又长又细的引线阻抗较大,引线阻抗产生的电流变化会转变成电压变化,馈送到器件内部。为了优化性能,放大器电源应使用尽可能短的引线。应该尽可能使用差分信号。差分输入具有较高的噪声抑制,使得差分接收器能够抑制正、负信号线上的共模噪声。为充分利用差分放大器的优势,布线时保持相同的差分信号线对的长度非常重要,使其具有相同的阻抗,二者尽可能相互靠近使其耦合噪声相同。放大器的差分输入对抑制来自系统数字电路的噪声非常有效。另外,系统电源自身还存在噪声干扰,所以在设计RF电路PCB时一定要综合考虑,合理布线。

  3.2 布线技巧

  布线时,所有走线应远离PCB板的边框(2mm左右),以免PCB板制作时造成断线或有断线的隐患。电源线要尽中能宽,以减少环路电阻,同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,以提高抗干扰能力;所布信号线应尽可能短,并尽量减少过孔数目;各元器件间的连线越短越好,以减少分布参数和相互间的电磁干扰;对于不相容的信号线应量相互远离,而且尽量避免平行走线,而在正向两面的信号线应用互垂直;布线时在需要拐角的地址方应以135°角为宜,避免拐直角。

  4、接地

  在射频电路PCB设计中,电源线和地线的正确布线显得尤其重要,合理的设计是克服电磁干扰的最重要的手段。PCB上相当多的干扰源是通过电源和地线产生的,其中地线引起的噪声干扰最大。地线容易形成电磁干扰的主要原因于地线存在阻抗。当有电流流过地线时,就会在地线上产生电压,从而产生地线环路电流,形成地线的环路干扰。当多个电路共用一段地线时,就会形成公共阻抗耦合,从而产生所谓的地线噪声。因此,在对RF电路PCB的地线进行布线时应该做到:

  *对电路进行分块处理,射频电路基本上可分成高频放大、混频、解调、本振等部分,要为各个电路模块提供一个公共电位参考点即各模块电路各自的地线,这样信号就可以在不同的电路模块之间传输。然后,汇总于射频电路PCB接入地线的地方,即汇总于总地线。由于只存在一个参考点,因此没有公共阻抗耦合存在,从而也就没有相互干扰问题。

  *数字区与模拟区尽可能地线进行隔离,并且数字地与模拟地要分离,最后接于电源地。

  *在空间允许的情况下,各模块之间最好能以地线进行隔离,防止相互之间的信号耦合效应。

  对于音频电路,接地对于是否能够达到音频系统的性能要求至关重要。任何系统中接地有两个重要考虑:首先它是流过器件的电流返回路径,其次是数字和模拟电路的参考电位。这里给出了适用于所有系统的技巧:

  *为数字电路建立一个连续的地平面。地层的数字电流通过信号路径返回,该环路的面积应保持最小,以降低天线效应和寄生电感。确保所有数字信号引线具有对应的接地通路,这一层应该与数字信号引线覆盖相同的面积,具有尽可能少的断点。地层的断点,包括过孔,会使地电流流过更大的环路,因而产生更大的辐射和噪声。

  *保证地电流隔离。数字电路和模拟电路的地电流要保持隔离,以阻止数字电流对模拟电路的干扰。为了达到这一目标,需要正确排列元件。如果把模拟电路布置在PCB的一个区域,把数字电路布置在另一区域,地电流会自然隔离开。最好使模拟电路具有独立的PCB分层。

  *模拟电路采用星形接地。星形接地是将PCB的一点看作公共接地点,而且只有这一点被当作地电位,蜂窝电话中,电池地端通常被作为星形接地点,流入地平面的电流不会自动消失,所有地电流都将汇入到这个接地点。音频放大器吸收相当大的电流,这会影响电路本身的参考地和其它系统的参考地。为了解决这一问题,最好提供一个专用的返回回路桥接放大器的功率地和耳机插孔的地回路。注意,这些专用的回路不要穿越数字信号线,因为它们会阻碍数字返回电流。

  *最大化旁路电容作用。几乎所有器件都需要一个旁路电容,以提供电源不能提供的瞬态电流。这些电容需尽可能靠近电源引脚放置,以减少电容和器件引脚之间的寄生电感,电感会降低旁路电容的作用。

  接地分布的电路板实例

  以用于*估超低EMI、1.5W、无滤波D类音频功率放大器和80mW DirectDriv耳机放大器MAX9776*估板为例作说明。


  图3是一个具有较好接地分布的电路板实例(即丝印层和地层举例),图3(a)为应元件布局A(正)面,图3(b)为应元件布局B(背).首先需要注意PCB底部为数字区域,顶部为模拟区域。穿越区域边界的唯一信号线是I2C控制信号,这些信号线有一个直接的返回路径,确保数字信号只存在于数字区域,没有地层分割导致的数字地电流。还要注意大部分地平面是连续的,即使数字区域有一些中断,但彼此之间的距离足够远,保证了电流通道的顺畅。在这个例子中,星形接地点在PCB顶层的左上角。模拟地层的断点确保D类放大器和电荷泵的电流直接返回星形接地点,不会干扰其它模拟层。另外,还需注意耳机插孔有一条引线直接将耳机地电流返回到星形接地点。

  5、结论

  以上设计良好的PCB是一件耗时,同时也是极具挑战性的工作,但这种投入也的确是值得的。好的PCB布局有助于降低系统噪音,提高RF信号的抑制能力,减小信号失真。好的PCB设计还会改善EMI性能,有可能需要更少的屏蔽。如果PCB不合理,会在测试阶段出现本来可以避免的问题。这时在采取措施的话,可能为时已晚,很难解决所面临的问题,需要投入更多的时间、花费更大的精力,有时还要添加额外的元件,增加系统成本和复杂性。

  如今PCB的技术主要按电子产品的特性及要求而改变,在近年来电子产品日趋多功能、精巧并符合环保条例。故此,PCB的精密度日高,其软硬板结合应用也将增加。


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