功放PCB布线注意事项及接地问题.doc

功放电路PCB布线注意问题 2006-02-06 10:48:01 | Author: Admin Font Size: Large | Medium | Small 在公司2.4G无线产品推广过程中，有些音响厂家在2.4G无线音响的性噪比上困扰，抱怨2.4G无线产品信噪比不好；其实在给各大音响厂家供货的2.4G无线产品中，公司供的都是同一个产品，但是在其他客户那里信噪比问题处理得就非常好，基本上与有线音响相差无几。在这里，公司在调试无线音响样机实践中总结出的一些经验与大家分享。顾名思义，有源音箱就是音箱与放大器的组合，因此有源音箱噪音分析与一般放大器噪音与放大器近似，分析、处理时可借鉴HIFI放大器。噪音与放大器相生相伴，是无可避免的，这里讨论降低噪音，目的是将其降低至可接受的范围，而不是、也无法将其彻底根除，换句话说，信噪比只能尽量提高，但不能无限大。有源音箱的噪音按来源可粗略分为电磁干扰、地线干扰、机械噪声与热噪声几类，下面来从噪音产生根源与机理方面简要分析一下，并提出一些经实践检验行之有效的解决方案，以期能对各大音响厂家工程师能所帮助。一、电磁干扰电磁干扰主要来源是电源变压器和空间杂散电磁波。有源音箱除极少数特殊产品外，多数是由市电提供电源，因此必然要使用电源变压器。电源变压器工作过程是一个“电磁电”的转换过程，在电磁转换过程中必然会产生磁泄露，变压器泄磁被放大电路拾取放大，最终表现为由扬声器发出的交流声。电源变压器常见规格有EI型、环型和R型，无论是从音质角度还是从电磁泄露角度来看，这三种变压器各有优缺点，不能简单判定优劣。EI型变压器是最常见、应用最广的变压器。深圳各大音响制作厂家基本上是采用EI变压器。磁泄露主要来源E与I型铁心之间的气隙以及线圈自身辐射。EI型变压器磁泄露是有方向性，如下图所示，X、Y、Z轴三个方向上，线圈轴心Y轴方向干扰最强，Z轴方向最弱，X轴方向的辐射介于Y、Z之间，因此实际使用时尽量不要使Y轴与电路板平行。环型变压器环型变压器由于不存在气隙、线圈均匀卷绕铁芯，理论上漏磁很小，也不存在线圈辐射。但环型变压器由于无气隙存在，抗饱和能力差，在市电存在直流成分时容易产生饱和，产生很强的磁泄露。国内不少地区市电波形畸变严重，因此许多用家使用环型变压器感觉并不比EI型变压器好，甚至更差。所谓环型变压器绝无泄露，或是因媒介误导，或是因厂商出于商业宣传需要而杜撰，环型变压器磁泄露极低的说法只是在市电波型为严格的正弦波时才成立。另外，环型变压器还会在引线处出现较强电磁泄露，因此环型变压器的漏磁也是有一定方向性的，实际装机时旋转环型变压器，在某个角度上获得最高信噪比。R型变压器可简单看做横截面圆型的环型变压器，但在线圈绕制手法上有区别，散热条件远比环型变压器为好，铁芯展开为渐开渐合型，R型变压器电磁泄露情况与环型变压器类似。由于每匝线长比环型变压器短，能紧贴铁心绕制，因此上述三类变压器中R型变压器的铜损最小。如条件允许，可考虑为变压器装一只屏蔽罩，并做妥善接地处理，该金属罩只能选用铁性材料，一般金属如铜、铝等只有电屏蔽作用而无磁屏蔽作用，不能作为变压器屏蔽罩。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。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，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。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：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、机械杂音及热噪声（一）机械噪声有源音箱将音箱与放大器集成在一起，因此有部分噪声是特有的。最常见的机械噪音来源是电源变压器。前面说过，电源变压器工作过程是“电磁电”转换的过程，电磁转换过程中，除产生磁泄露外，交变磁场会引起铁芯震动。老式镇流器日光灯工作时镇流器会发出嗡嗡声，使用日久后声音还会增大，就是因为铁芯受交变磁场吸斥而引发震动。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“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。 Last Modified By Admin, at 2006-02-06 11:09:30从PCB布线设计方面，分享下如何在DIY中避免噪音，自激出现的经验附件: 从PCB布线设计方面，分享下如何在DIY中避免噪音，自激出现的经验加入论坛后，感觉论坛很好。但常见到DIYer在制作耳放时都出现这样那样的类似噪音，自激的烦恼。本人想从PCB布线设计方面，和DIYer分享一下如何避免噪音，自激出现的经验。本人也经常玩玩PCB的。拿本人玩的运放并联电路来介绍一下这些经验要点：如图1. 如图输入端的两个虚线框的面积，在PCB布线设计时，一定要小，尽量要小！因环路面积越大，越容易感染噪音！所以一定要设法减少环路面积（特别是模拟电路）。2. 如图黑粗线部分的连线一定要短！分三部分：（1） 运放正相端对地电阻的连线一定要靠近正相端！这个电阻和直流偏移电压有关，也是输入回路的偏压限流电阻。降低它的值可以减少输出直流偏移电压，但要和输入偏压电流以及前端截止频率联系。（2） 和运放负相端连接的反馈电阻一定要靠近负相端连接，连线要短！如图的Rx电阻决定了本底噪音特性。由Rx产生的热噪音必须比运放的输入噪音电压低！降低Rx的值可以减少输入噪音。同样与运放的输入噪音电压联系。（3） 隔离电阻R* 一定要靠近运放输出端连接，连线要短！该电阻用于隔离容性负载，防止震荡。这是运算放大器中常用的一种技术。特别是非常小的阻性负载。将隔离电阻R* 放在反馈回路内，这样保持了增益的准确性，但会丧失隔离电阻上的部分电压摆幅。如果负载较小，则的隔离电阻R*值也可以较小。3. 所有旁路电容应尽可能靠近运放，器件安装。4. 输入与输出的地一定要分开，在电源的地一点连接。 对模拟电路来说，地线的处理相当重要。如功放电路，很微小的地噪声都会因为后级放大而对音质产生严重的影响；又如高精度的A/D转换电路中，如果地线上有高频干扰存在将会是放大器产生温飘，影响工作。 对数字电路来说，由于时钟频率高，布线及元件间的电感效应明显，地线阻抗随着频率的上升而变得很大，产生射频电流，电磁干扰问题突出。 充分利用表面粘贴式元件（贴片元件），少用直插式元件。这样可以省去很多直插焊盘孔，把多出来的空间让给地线；设法让信号线尽量在顶层走，将底层尽量完整的做地线层或铺地，保持地电流的低阻抗畅通。 数字电路的地和模拟电路的地要分开处理。在PCB板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，两者的地线不要相混，必须彼此分开布线，最后只在电源的地相接，或在某一处短接后再接到电源的地。具体最后如何相接由系统设计决定。 正确运用单点接地和多点接地。在低频电路中，信号的工作频率小于1MHZ ，它的布线和元器件间的连线电感影响较少，而接地电路的形成的地环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。这种接法通常用于音频功放电路，模拟电路，60HZ直流电源系统等。当信号工作频率大于1MHZ时，连线电感会增大地线阻抗，产生射频电流。此时必须尽量降低接地阻抗。采用多点接地法可有效降低射频电流的影响。 尽量加粗接地线。尤其模拟地线应尽量加大引出端的接地面积。若地线很细，阻抗就会很大，接地电位随着电流的变化而变化，致使信号电平不稳定。最好使地线能够通过3倍于电路允许的最大电流。N久前的“新47”运放并联耳放的PCB图，有兴趣的DIYer可以参考下附件: 看到有DIYer对此还有兴趣，呵呵，故把PCB图贴出，有兴趣制作的DIYer可以参考下。耦合电容，电位器等等都需要外接了，类似RA1那样。原线路的帖 /read.php?tid=220133&keyword=在PCB上，元件的取值做了调整 ：电源退耦部分采用RA1那样，只用0.1u的普通电容就OK了 ；反馈部分调整为10K和2K（对应原线路的47K和16K） ； 同相对地改为50K（对应原线路的12K） ；输出端电阻改为10至30欧姆都可（对应原线路的5欧姆），当然以上都可以不变，随你喜欢。注意运放的第5脚和第3脚是要用飞线连接的。发个简单易做，效果又好的运放并联输出耳放附件: 前不久，把正在服役的飞利浦NE5532AN耳放改造成如图的并联输出，电源换成LM317 / LM337。听了一首“情缘” ，效果另人眼前一亮：解析力提高明显；动态也有所提高；人声感觉比以前细腻；音乐味，耐听度感觉比以前好。稍稍高兴之余，特出帖与大家共享。初学者不妨试制一下。介绍下设计制作要点：运放部分：1. 采用两个运放完全并行工作。每个运放的延迟基本相同，输出失调较小。可以提供双倍的电流。输出端的两个5欧姆电阻用于隔离运放输出，限制两者的输出失调电流。比如两个运放的输出电压是10mV，选用5欧姆电阻，可限制失调电流为1mA 。2. 输出端的两个5欧姆电阻应靠近输出端连接。3. 输入端采用电容耦合（高通）。截止频率选择4Hz 。当然，选择更大容量电容可以进一步降低截止频率。其实人为削减低频，相对地高频就可以出来，高频一出来则音质和音效的诸多方面必然会或多或少得到改善。4. 四倍放大。感觉合适。同相端对地电阻12K刚好等于47K / 16K ，电位器不宜取大，10K合适。5. 为发挥运放的动态范围，在靠近运放电源引脚处加入了适当的RC串联回路。（刚好还剩有这些数值的元件）6. 信号接地采用了0.1欧姆（或更低）与电源地隔离再相接，一点接地，有效减少了电源噪音对输入输出的影响，信噪比，解析力等提高明显。7. 负反馈电阻应靠近负输入端。8. 个人认为，为了低噪音，运放负输入的对地电阻应取小阻值较好。电源部分：（个人认为举足轻重）1. 使用低内阻电源供电。这次改造使用了性能优越，电路简洁的LM317 / LM337双电源（正负15伏），其电源纯度如用干电池供电一样。如能用上LT317 / 337 应有更好表现。2. 稳压后的滤波电容不宜大，这里取了47 uF 。3. 在调整端（ADJ）处，并接10 uF左右的电容（不宜大）可以有效提高纹波抑制比（对电源来说十分重要）。4. 应指出，LM317 / LM337调整端的输入电流约为60微安，要求调整端和输出端处电阻中的电流远大于此值才能保证输出电压的稳定精度和电源效率。一般选5 10 毫安。图中选200欧姆的电阻（6.25 毫安）。5. 稳压前后都加上一级RC低通滤波。目的是进一步降低电源的高频噪音和稳压块的输出噪音，并且有隔离音频信号的作用，降低了音频信号的非线性失真，明显的效果是解析力提高。6. 整流二极管选用IN4002 。别小看它，它的声音表现较平均，质感好，又便宜。当然，可以选用其他高速的整流二极管（高速的好处是明显的：低频的弹跳力，冲击力好；中高音的通透，音场的定位也优胜等），也可以每臂多管并联以降低电源内阻，并接0.1 uF左右电容改善高频等。（手头暂时没有那么多元件）总体上，利用手头的元件改造成功，满意。本人设想，如换上2604 ，其音乐味应更好。以上纯属个人制作意见，供仿制者参考。来点新搞作，想做运放版耳放的DIYer可以试试这个“新”线路附件: 这个线路是最近想出来的，无奈没有时间做样板，所以贴出来让想做运放版耳放的DIYer尝新一下（又可以锻炼动手能力，呵呵）。这个线路之所以“新” ，是由于它用了“动态音量控制方式”和“AA类与S类切换输出驱动”这个组合 。关于这个动态音量控制，无线电与电视杂志有介绍过，不过忘了是哪一期，只是摘录了部分，其放大倍数公式颇为复杂。不过作为运放版耳放，尝试一下又何妨。关于AA类与S类 ，想必DIYer都大概知道的，两者不同的地方是反馈取样点不同而已。AA类反馈取至输出端，属大环反馈 ；S类反馈取至电压放大输出端，属小环反馈 。图中两种方式通过开关即可切换，作为运放版耳放，可以尝试一下两种反馈究竟有多大区别。虽然不算是什么新东西，但也应该可以带来一点点惊喜的，呵呵。Re:来点新搞作，想做运放版耳放的DIYer可以试试这个“新”线路（PCB）附件: 中午休息赶出来的，附件: 清楚点，附件: 原理图做了一些调整，对应以上的PCB图 ，有兴趣的DIYer ，试验后告知结果啊。旁路电容和退耦电容设计印制板时经常要在电路上加电容器来满足数字电路工作时要求的电源平稳和洁净度。电路中的电容可分为退耦电容、旁路电容和容纳电容三类。退耦电容用来滤除高频器件在电源板上引起的辐射电流，为