手持式產(chǎn)品RF電路及其音頻電路的PCB設(shè)計(jì)技巧

PCB" target="_blank">PCB是信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，從計(jì)算機(jī)、便攜式電子設(shè)備等，幾乎所有的電子電器產(chǎn)品中都有電路板的存在。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，手持無(wú)線射頻電路技術(shù)運(yùn)用越來(lái)越廣，這些設(shè)備(如手機(jī)、無(wú)線PDA等)的一個(gè)最大特點(diǎn)是：第一、幾乎囊括了便攜式的所有子系統(tǒng)；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(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)非常重要的課題。因?yàn)橥浑娐?，不同的PCB設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其性能指標(biāo)會(huì)相差很大。尤其是當(dāng)今手持式產(chǎn)品的音頻功能在持續(xù)增加，必須給予音頻電路PCB布局更加關(guān)注.據(jù)此本文對(duì)手持式產(chǎn)品RF電路與音頻電路的PCB的巧妙設(shè)計(jì)（即包括元件布局、元件布置、布線與接地等技巧）作分析說(shuō)明。

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。我們把這一步稱為“布板考慮“。仔細(xì)的元件布局可以減少信號(hào)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(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。所有輸入引線對(duì)RF信號(hào)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)天線，縮短引線長(zhǎng)度有助于降低相應(yīng)頻段的天線輻射效應(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)的引線也增強(qiáng)了RF天線效應(yīng)。 如手機(jī)電話采用GSM技術(shù)，這些天線能夠拾取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類放大器，較長(zhǎng)的耳機(jī)引線會(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)引線還會(huì)增大引線阻抗，降低負(fù)載能夠獲取的功率。最后，因?yàn)樵贾玫萌绱朔稚?，元件之間的連線將不得不穿過(guò)其它子系統(tǒng)。這不僅會(huì)增加音頻部分的布線難度，也增大了其它子系統(tǒng)的布線難度。

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，并且布線簡(jiǎn)單。

圖2. 合理的元件布局示意對(duì)音頻信號(hào)品質(zhì)改善

3 、布線原則與技巧

在基本完成元器件的布局后，就可開(kāi)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(shè)計(jì)，并且信號(hào)走線盡量粗細(xì)一致，有利于阻抗匹配。

對(duì)于RF電路，信號(hào)線的走向、寬度、線間距的不合理設(shè)計(jì)，可能造成信號(hào)信號(hào)傳輸線之間的交叉干擾。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，會(huì)增大電源紋波。與短而寬的引線相比，又長(zhǎng)又細(xì)的引線阻抗較大，引線阻抗產(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。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)線上的共模噪聲。為充分利用差分放大器的優(yōu)勢(shì)，布線時(shí)保持相同的差分信號(hào)線對(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。

3.2 布線技巧

布線時(shí)，所有走線應(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(shí)，使電源線、地線的走向和數(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)線應(yīng)量相互遠(yuǎn)離，而且盡量避免平行走線，而在正向兩面的信號(hào)線應(yīng)用互垂直；布線時(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，電源線和地線的正確布線顯得尤其重要，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)電源和地線產(chǎn)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(dāng)有電流流過(guò)地線時(shí)，就會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓，從而產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地線的環(huán)路干擾。當(dāng)多個(gè)電路共用一段地線時(shí)，就會(huì)形成公共阻抗耦合，從而產(chǎn)生所謂的地線噪聲。因此，在對(duì)RF電路PCB的地線進(jìn)行布線時(shí)應(yīng)該做到：

*對(duì)電路進(jìn)行分塊處理，射頻電路基本上可分成高頻放大、混頻、解調(diào)、本振等部分，要為各個(gè)電路模塊提供一個(gè)公共電位參考點(diǎn)即各模塊電路各自的地線，這樣信號(hào)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(gè)參考點(diǎn)，因此沒(méi)有公共阻抗耦合存在，從而也就沒(méi)有相互干擾問(wèn)題。

*數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)盡可能地線進(jìn)行隔離，并且數(shù)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(jìn)行隔離，防止相互之間的信號(hào)耦合效應(yīng)。

對(duì)于音頻電路,接地對(duì)于是否能夠達(dá)到音頻系統(tǒng)的性能要求至關(guān)重要。任何系統(tǒng)中接地有兩個(gè)重要考慮：首先它是流過(guò)器件的電流返回路徑，其次是數(shù)字和模擬電路的參考電位。這里給出了適用于所有系統(tǒng)的技巧：

*為數(shù)字電路建立一個(gè)連續(xù)的地平面。地層的數(shù)字電流通過(guò)信號(hào)路徑返回，該環(huán)路的面積應(yīng)保持最小，以降低天線效應(yīng)和寄生電感。確保所有數(shù)字信號(hào)引線具有對(duì)應(yīng)的接地通路，這一層應(yīng)該與數(shù)字信號(hào)引線覆蓋相同的面積，具有盡可能少的斷點(diǎn)。地層的斷點(diǎn)，包括過(guò)孔，會(huì)使地電流流過(guò)更大的環(huán)路，因而產(chǎn)生更大的輻射和噪聲。

*保證地電流隔離。數(shù)字電路和模擬電路的地電流要保持隔離，以阻止數(shù)字電流對(duì)模擬電路的干擾。為了達(dá)到這一目標(biāo)，需要正確排列元件。如果把模擬電路布置在PCB的一個(gè)區(qū)域，把數(shù)字電路布置在另一區(qū)域，地電流會(huì)自然隔離開(kāi)。最好使模擬電路具有獨(dú)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(diǎn)看作公共接地點(diǎn)，而且只有這一點(diǎn)被當(dāng)作地電位，蜂窩電話中，電池地端通常被作為星形接地點(diǎn)，流入地平面的電流不會(huì)自動(dòng)消失，所有地電流都將匯入到這個(gè)接地點(diǎn)。音頻放大器吸收相當(dāng)大的電流，這會(huì)影響電路本身的參考地和其它系統(tǒng)的參考地。為了解決這一問(wèn)題，最好提供一個(gè)專用的返回回路橋接放大器的功率地和耳機(jī)插孔的地回路。注意，這些專用的回路不要穿越數(shù)字信號(hào)線，因?yàn)樗鼈儠?huì)阻礙數(shù)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(gè)旁路電容，以提供電源不能提供的瞬態(tài)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(huì)降低旁路電容的作用。

接地分布的電路板實(shí)例

以用于評(píng)估超低EMI、1.5W、無(wú)濾波D類音頻功率放大器和80mW DirectDriv耳機(jī)放大器MAX9776評(píng)估板為例作說(shuō)明。

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

5、結(jié)論

以上設(shè)計(jì)良好的PCB是一件耗時(shí)，同時(shí)也是極具挑戰(zhàn)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(tǒng)噪音，提高RF信號(hào)的抑制能力，減小信號(hào)失真。好的PCB設(shè)計(jì)還會(huì)改善EMI性能，有可能需要更少的屏蔽。如果PCB不合理，會(huì)在測(cè)試階段出現(xiàn)本來(lái)可以避免的問(wèn)題。這時(shí)在采取措施的話，可能為時(shí)已晚，很難解決所面臨的問(wèn)題，需要投入更多的時(shí)間、花費(fèi)更大的精力，有時(shí)還要添加額外的元件，增加系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

如今PCB的技術(shù)主要按電子產(chǎn)品的特性及要求而改變，在近年來(lái)電子產(chǎn)品日趨多功能、精巧并符合環(huán)保條例。故此，PCB的精密度日高，其軟硬板結(jié)合應(yīng)用也將增加。