功放电路PCB布线注意问题crqq.docx
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1、功放电路路PCBB布线注注意问题题顾名名思义,有有源音箱箱就是音音箱与放放大器的的组合,因因此有源源音箱噪噪音分析析与一般般放大器器噪音与与放大器器近似,分分析、处处理时可可借鉴HHIFII放大器器。噪音与与放大器器相生相相伴,是是无可避避免的,这这里讨论论降低噪噪音,目目的是将将其降低低至可接接受的范范围,而而不是、也也无法将将其彻底底根除,换换句话说说,信噪噪比只能能尽量提提高,但但不能无无限大。有有源音箱箱的噪音音按来源源可粗略略分为电电磁干扰扰、地线线干扰、机机械噪声声与热噪噪声几类类,下面面来从噪噪音产生生根源与与机理方方面简要要分析一一下,并并提出一一些经实实践检验验行之有有效的解
2、解决方案案,以期期能对各各大音响响厂家工工程师能能所帮助助。一、电电磁干扰扰电电磁干扰扰主要来来源是电电源变压压器和空空间杂散散电磁波波。有源音音箱除极极少数特特殊产品品外,多多数是由由市电提提供电源源,因此此必然要要使用电电源变压压器。电电源变压压器工作作过程是是一个“电电磁电”的的转换过过程,在在电磁转转换过程程中必然然会产生生磁泄露露,变压压器泄磁磁被放大大电路拾拾取放大大,最终终表现为为由扬声声器发出出的交流流声。电源源变压器器常见规规格有EEI型、环环型和RR型,无无论是从从音质角角度还是是从电磁磁泄露角角度来看看,这三三种变压压器各有有优缺点点,不能能简单判判定优劣劣。EI型型变压
3、器器是最常常见、应应用最广广的变压压器。深深圳各大大音响制制作厂家家基本上上是采用用EI变变压器。磁磁泄露主主要来源源E与II型铁心心之间的的气隙以以及线圈圈自身辐辐射。EEI型变变压器磁磁泄露是是有方向向性,如如下图所所示,XX、Y、ZZ轴三个个方向上上,线圈圈轴心YY轴方向向干扰最最强,ZZ轴方向向最弱,XX轴方向向的辐射射介于YY、Z之之间,因因此实际际使用时时尽量不不要使YY轴与电电路板平平行。环环型变压压器环型变变压器由由于不存存在气隙隙、线圈圈均匀卷卷绕铁芯芯,理论论上漏磁磁很小,也也不存在在线圈辐辐射。但但环型变变压器由由于无气气隙存在在,抗饱饱和能力力差,在在市电存存在直流流成
4、分时时容易产产生饱和和,产生生很强的的磁泄露露。国内内不少地地区市电电波形畸畸变严重重,因此此许多用用家使用用环型变变压器感感觉并不不比EII型变压压器好,甚甚至更差差。所谓谓环型变变压器绝绝无泄露露,或是是因媒介介误导,或或是因厂厂商出于于商业宣宣传需要要而杜撰撰,环型型变压器器磁泄露露极低的的说法只只是在市市电波型型为严格格的正弦弦波时才才成立。另另外,环环型变压压器还会会在引线线处出现现较强电电磁泄露露,因此此环型变变压器的的漏磁也也是有一一定方向向性的,实实际装机机时旋转转环型变变压器,在在某个角角度上获获得最高高信噪比比。R型变变压器可可简单看看做横截截面圆型型的环型型变压器器,但在
5、在线圈绕绕制手法法上有区区别,散散热条件件远比环环型变压压器为好好,铁芯芯展开为为渐开渐渐合型,RR型变压压器电磁磁泄露情情况与环环型变压压器类似似。由于于每匝线线长比环环型变压压器短,能能紧贴铁铁心绕制制,因此此上述三三类变压压器中RR型变压压器的铜铜损最小小。如条件件允许,可可考虑为为变压器器装一只只屏蔽罩罩,并做做妥善接接地处理理,该金金属罩只只能选用用铁性材材料,一一般金属属如铜、铝铝等只有有电屏蔽蔽作用而而无磁屏屏蔽作用用,不能能作为变变压器屏屏蔽罩。上述分析是建立在变压器选料、制作精良的基础上,实际多数市售变压器产品由于成本压力和竞争需要,未严格按行业规范设计,甚至偷工减料,分析起
6、来不可预测因素较多。首先是铁芯材料的品质,很多企业用导磁率较低的H50铁芯、边角料甚至搀杂软铁制作变压器,导致变压器空载电流很高,铁损过大,空载发热严重;这类变压器为降低成本、同时为掩盖铁损偏高带来的电压调整率过大问题,大幅度减少初次级线圈匝数,以降低铜损的方式来降低电压调整率,这种做法更进一步增大了空载电流,而空载电流偏大将直接导致磁泄露加剧。环型变压器问题更复杂一些。正规的环型变压器铁芯是由一条等宽硅钢带紧密卷绕而成。还是出于成本原因,多数低价环型变压器使用数条甚至数十数条硅钢带拼接,甚至使用边缘参差不齐的边角料卷绕,绕制好后用机床车平,由于环型变压器线圈包绕铁芯,不做破坏性解剖难以发现。
7、机械加工对硅材料的晶格排列、相邻硅钢带间绝缘都有严重破坏,这样的环型变压器无论性能或漏磁特性均会大幅度降低,即使经过退火处理也无法弥补质量上的严重缺陷。杂散电磁波主要来自有源音箱的功率输出导线、扬声器及功率分频器、无线发射设备和计算机主机,产生原因在这里不做深入讨论。杂散电磁波在传输、感应的形式上与电源变压器类似,杂散磁场频率范围很宽,有用家反映有源音箱莫名其妙接收到当地电台广播就是典型的杂散电磁波干扰。另外一个需引起重视的干扰源为整流电路。滤波电容在开机进入正常状态后,充电仅集中在交流电峰值时,充电波形是一个宽度较窄的强脉冲,电容量越大,脉冲强度也越大,从电磁干扰角度看,滤波电容并非越大越好
8、,整流管与滤波电容之间走线应尽量缩短,同时尽量远离功放电路,PCB空间不允许则尽量用地线包络。电磁干扰主要防治措施:1.降低输入阻抗。电磁波主要被导线及PCB板走线拾取,在一定条件下,导线拾取电磁波基本可视为恒功率。根据P=UU/R推导,感应电压与电阻值的平方成反比,即放大器实现低阻抗化对降低电磁干扰很有利。 例如一个放大器输入阻抗由原20K降低至10K,感应噪声电平将降至1/4的水平。有源音箱音源主要是电脑声卡、随身听、MP3,这类音源带载能力强,适当降低有源音箱输入阻抗对音质造成的影响非常微弱不易觉察,笔者试验时曾尝试将有源音箱输入阻抗降至2K,未感觉音质变化,长期工作也未见异常。2.增强
9、高频抗干扰能力针对杂散电磁波多数是中高频信号的特点,在放大器输入端对地增设磁片电容,容值可在47220P之间选取,数百皮法容值的电容频率转折点比音频范围高两、三个数量级,对有效听音频段内的声压响应和听感的影响可忽略不计。3.注意电源变压器安装方式采用质量较好的电源变压器,尽量拉开变压器与PCB之间的距离,调整变压器与PCB之间的方位,将变压器与放大器敏感端远离;EI型电源变压器各方向干扰强度不同,注意尽量避免干扰强度最强的Y轴方向对准PCB。4.金属外壳须接地对于HIFI独立功放来说,设计规范的产品在机箱上都有一个独立的接地点,该接地点其实是借助机箱的电磁屏蔽作用降低外来干扰;对于常见有源音箱
10、来说,兼做散热器的金属面板也需接地;音量、音调电位器外壳,条件允许的话尽量接地,实践证明,该措施对工作于电磁环境恶劣条件下的PCB十分有效。二、地线干扰电子产品的地线设计是极其重要的,无论低频电路还是高频电路都必须要个遵照设计规则。高频、低频电路地线设计要求不同,高频电路地线设计主要考虑分布参数影响,一般为环地,低频电路主要考虑大小信号地电位叠加问题,需独立走线、集中接地。从提高信噪比、降低噪音角度看,模拟音频电路应划归低频电子电路,严格遵循“独立走线、集中一点接地”原则,可显著提高信噪比。音频电路地线可简单划分为电源地和信号地,电源地主要是指滤波、退耦电容地线,小信号地是指输入信号、反馈地线
11、。小信号地与电源地不能混合,否则必将引发很强的交流声:强电地由于滤波和退耦电容充放电电流较大(相对信号地电流),在电路板走线上必然存在一定压降,小信号地与该强电地重合,势必会受此波动电压影响,也就是说,小信号的参考点电压不再为零。信号输入端与信号地之间的电压变化等效于在放大器输入端注入信号电压,地电位变化将被放大器拾取并放大,产生交流声。增加地线线宽、背锡处理只能在一定程度上减弱地线干扰,但收效并不明显。有部分未严格将地线分开的PCB由于地线宽、走线很短,同时放大级数很少、退耦电容容量很小,因此交流声尚在勉强可接受范围内,只是特例,没有参考意义。需注意的是,变压器电磁干扰引发的交流声频率一般为
12、50HZ左右,而地线布线不当导致的交流声,由于整流电路的倍频作用频率约为100HZ,仔细区分还是可以察觉的。正确的布线方法是,选择主滤波电容引脚作为集中接地点,强、弱信号地线严格区分开,在总接地点汇总。下面以最常见的LM1875(TDA2030A)为例,以生产商推荐线路说明一下:2030A推荐线路图中R1、R2是输入落地电阻,C2是直流反馈电容,接地点是小信号地,标记为蓝色,;C3、C4、C6、C7是退耦电容,接地端标记为红色,属电源地。正确的接地方式为:三个小信号接地点可混合在一条地线上,四个电源地汇集为另一条地线,电源地与小信号地在总接地点处汇合,除总接地点外,两种地不得有其他连通点!功放
13、输出端的茹贝尔(zobel)移相网络(R5、C5)接地点处理方法较特殊,该接地点如并入电源地,地线电压扰动将经R4反馈至LM1875反相输入端,引起交流声;而并入小信号地的话,由于信号的相位、强度不一致,将导致音乐信号质量严重下降。因此,如印刷电路板空间允许,最好能单独走线。下面结合几张实际的PCB板图来详细说明:1.TDA2030 PCB图:2030A PCB这张PCB图中,存在明显的地线设计错误,小信号地与电源地完全重合,因此该板必然存在交流噪声,且不受音量电位器控制。图中C2、C3、C4、C5是退耦电容,C7、R2、C6、JP1第一脚、JP2第三脚等五个接地点则属小信号地,大小信号地重叠
14、后通过跳线引至C8、C9的总接地点。同时,zobel移相网络接地点(C1第二脚)也混杂在一条地线上,必然使实际情况更加复杂。2.LM4766 PCB图:LM4776 PCB该图中,C5、C11、C12为OP退耦电容,接地端属电源地,图中用红色细线标记出电流走向;而R5、R6、R7、R9等HPF电路电阻接地端属小信号地,与C5、C11、C12等退耦地共用一条地线走线的话,退耦电容工作电流与地线内阻引起的压降势必会叠加在R5、R6、R7、R9接地端,引发交流声甚至自激。3.一张地线布线正确的PCB:这张PCB中,大小信号地严格分开,同时采用了一些其他降噪手段,信噪比例很高,输入端开路时,实测输出端
15、残留噪音不高于0.3mV,夜深人静时耳朵贴在扬声器单元上也没有任何噪声。为看图方便,仅画出一声道的地线做示范。C9、R1、C10及信号输入插座接地端是小信号地,通过红色地线接至总接地点,左侧地线是扬声器及zobel网络地,右侧地线是退耦电容的电源地,三条地线在主滤波电容C4的1脚汇合,实现真正意义上的“一点接地”。三、机械械杂音及及热噪声声(一一)机械械噪声有源源音箱将将音箱与与放大器器集成在在一起,因因此有部部分噪声声是特有有的。最常常见的机机械噪音音来源是是电源变变压器。前前面说过过,电源源变压器器工作过过程是“电电磁电”转转换的过过程,电电磁转换换过程中中,除产产生磁泄泄露外,交交变磁场
16、场会引起起铁芯震震动。老老式镇流流器日光光灯工作作时镇流流器会发发出嗡嗡嗡声,使使用日久久后声音音还会增增大,就就是因为为铁芯受受交变磁磁场吸斥斥而引发发震动。制作精良的变压器,铁芯压的很紧,同时在下线前要经过真空浸漆工艺处理,交变磁场引起的铁芯震动很小;如变压器铁芯松动、未压实,通电时引起的振动会比较强(想象一下理发店的电推子)。许多低价变压器为节约工时仅做“蘸”漆而未做“真空浸漆”处理,铁芯振动更严重。音箱箱体有一定的助声腔作用,变压器振动引起的空气扰动传导到扬声器振膜上,听起来与电磁干扰引起的噪音非常相似。年前修理一套交流声严重的有源音箱,遍查电路找不到原因,无意中将扬声器连线碰断,噪音
17、几乎未降低,最终确认是变压器作怪。这种情况在有源音箱上是普遍存在的,变压器品质高低只对最终引起的振幅大小有影响,即使价格非常昂贵的电源变压器也存在振动,因此绝大多数有源音箱主箱噪音水平逊于副箱。电源变压器导致的机械杂音防治措施比较简单,可根据实际情况以下几点作为参考:1.选择品质较好、工艺严谨的变压器,降低变压器自身振动,这也是最有效的措施2.在变压器与固定板之间增加减震层,选用弹性的软性材料如橡胶、泡棉等,切断变压器与箱体之间的震动耦合通道。3.选择有一定功率裕量的变压器,变压器工作越接近额定上限,震动越大。功率裕量大的变压器不易出现磁饱和,长期工作稳定性好,发热量相对较小。还有种常见的机械
18、噪声来源于电位器。市售有源音箱绝大多数使用旋转式碳膜电位器,随使用时间的推移,电位器金属刷与膜片之间会因灰尘沉积、膜片磨损产生接触不良,在转动电位器时会有很大的噪音产生,磨损严重的电位器甚至在不转动时也会有噪声。还有些较特殊的动态杂音需简述一下:部分有源音箱箱板之间接合不牢靠,或是用家自行拆箱后未压紧安装螺丝,在播放动态稍大的音乐时有杂音产生;或是由于加工手段不完善,箱体存在不同程度的漏气;倒相管两端未做双R或指数型开口,大动态时气流在此急剧压缩、膨胀产生噪声。(二)热噪声有源音箱电路部分由电阻、电容等无源器件和IC、晶体管等有源器件组成,电子元件在正常工作状态下必然会产生属于元件自身特有的“
19、本底噪声”,也就是常说的热噪声。热噪声属广谱热噪声,主要集中在中高频,反映在听感上一般多是高音单元中发出的“嘶嘶”声。无源器件导电部分存在大量的游离态电子,游离态电子数量与温度有直接关系,温度越高,数量也越多。游离态电子运动可视为无序运动,与正常有序的信号电流相比而言可视为杂波。IC等有源器件游离态电子数量远大于无源器件,有源器件具有放大作用,因此有源器件热噪声要高于无源器件。热噪声同样是无法根治的,防治手段主要是更换元件以及降低元件工作负荷。更换元件是指采用低噪声元件,如金属膜电阻热噪声要低于碳膜电阻,碳膜电阻热噪声低于碳质电阻,低噪声、低温漂IC热噪声好过通用IC等。另外,加强散热措施、降
20、低工作温度也是降低热噪声、增强工作稳定性的有效手段,一般甲类功放噪声及零漂逊于甲乙类功放。工作温度过高不仅仅是噪声增加,对于有源器件来说,还意味着漏电流、增益的不稳定,对功放的长期稳定工作不利。功放电路路PCBB布线注注意问题题在公公司2.4G无无线产品品推广过过程中,有有些音响响厂家在在2.44G无线线音响的的性噪比比上困扰扰,抱怨怨2.44G无线线产品信信噪比不不好;其其实在给给各大音音响厂家家供货的的2.44G无线线产品中中,公司司供的都都是同一一个产品品,但是是在其他他客户那那里信噪噪比问题题处理得得就非常常好,基基本上与与有线音音响相差差无几。在在这里,公公司在调调试无线线音响样样机
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