Из чего состоит смартфон внутри. Как устроен смартфон

В детстве, прочитав повесть «Старик Хоттабыч», я был особенно впечатлен, как Хоттабыч щелчком пальцев левой руки создает телефон «из цельного куска самого отборного черного мрамора». Правда, у этого телефона был один недостаток — он не работал: «В таком случае понятно, почему этот телефон не действует, — сказал Волька. — Ты сделал только макет телефона, без всего, что полагается внутри. А внутри аппарата как раз самое главное». Именно тогда меня заинтересовал вопрос, что же находится внутри телефона. Один такой телефон — правда, не из мрамора, а из бакелита — стоял у родителей на столе, и я, движимый любопытством, разобрал его. После сборки у меня осталось множество лишних деталей, а родителям пришлось покупать новый телефон.

Процессор: 64-разрядный процессор Qualcomm Snapdragon MSM8916 с частотой 1,2 ГГц // Операционная система: Android KitKat 4.4 // Оперативная память: 2 Гб // Встроенная память: 32 Гб // Дисплей: 5-дюймовый (1280 x 720) HD Super AMOLED со стеклом Gorilla Glass 3 // Камеры: задняя 13 Мп с сенсором PureCel и функцией оптической стабилизации изображения, фронтальная камера 8 Мп со светодиодной вспышкой // Звук: 1 динамик, стереовыход 3,5 мм // Поддерживаемые стандарты коммуникации: LTE (4G), FDD Band 1,3,7,20; DL 150Mbps / UL 50Mbps, WLAN: WiFi 802.11 b/g/n/ac // Аккумулятор: 2300 мАч (литий-полимерный), несъемный // Количество SIM-карт: 2 micro-SIM // Цвета: платиновый, золотой, серый графит // Габариты (Ш x Д x В): 146 x 71,7 x 6,9 мм Масса: 129 г.

За прошедшие с того времени три с лишним десятка лет техника существенно изменилась. Внутри Lenovo S90 вы не увидите того, что увидел я: ни угольных микрофонов, ни магнитов с проволочными катушками и картонными диффузорами динамиков, ни диска импульсного набора номера с шестеренками, пружиной и разрезным маховиком центробежного регулятора скорости вращения. В современном смартфоне вообще не так уж много деталей, на которые можно его разобрать, — они скомпонованы в достаточно крупные неразборные узлы, и детали упакованы внутрь корпуса чрезвычайно компактно. Разобрать, а потом собрать самостоятельно свой смартфон не всегда возможно. Так что «Популярная механика» сделала это за вас.

1. Задняя крышка из анодированного алюминия может быть выполнена в трех цветовых вариантах: платиновый, золотой, серый графит. На матовом покрытии корпуса не видны отпечатки пальцев, так что корпус всегда выглядит чистым.

2. Рамка увеличивает жесткость корпуса. Также на ней размещается часть элементов конструкции. 3. Super AMOLED дисплей, покрытый защитным стеклом Gorilla Glass

3. Емкостной сенсор прикосновений (тачскрин) интегрирован в дисплей. Также виден шлейф для подключения к материнской плате.

4. Материнская (основная) плата с процессором, графическим ускорителем и памятью. На плате расположены разъемы для подключения дисплея, боковых кнопок включения и громкости, основной камеры, фронтальной камеры, батареи и коаксиального антенного кабеля. Межплатный разъем находится на обратной стороне платы.

5. Полифонический динамик

6. Антенный усилитель

7. Основная камера. Вспышка для нее расположена на материнской плате.

8. Передняя (фронтальная) камера с интегрированной системой оптической стабилизации изображения.

9. Плата с разъемами для подключения зарядного устройства и межплатного шлейфа. Круглая «таблетка» на проводе — микромотор с эксцентриком для вибровызова и тактильной обратной связи при нажатии клавиш.

10. Разговорный динамик.

11, 13. Крепления.

12. Светодиодная вспышка передней камеры.

14. Литий-полимерная батарея.

15. Лоток для двух SIM-карт.

16. Антенна.

17. Шлейф кнопок громкости и включения.

18. Межплатный шлейф.

19. Антенный кабель.

20. Винтики для крепежа.

Оправдана. Условно, структурную схему мобильного телефона можно разделить на несколько функциональных блоков. Стоит отметить, что их содержание не всегда соответствуют распределению компонентов на печатной плате.

В результате прогресса технологий в области микроэлектроники, происходит повышение степени интеграции элементов и увеличение числа функций, выполняемых интегральными схемами. Несмотря на это, при производстве мобильного телефона, производители используют от 300 до 600 компонентов (пассивных и активных).

Условно, чтобы показать устройство мобильного телефона, в структурной схеме мобильного телефона можно выделить несколько функциональных блоков:

Радиоблок,

Аудиоблок,

Блок логики,

SIM-карта сотового телефона,

Блок питания,

• Вибратор.

Радиоблок.

Радиоблок выполняет функции приема и передачи и управляется блоком логики. Радиоблок имеет важное значение, при его производстве требуется тщательное исполнение, несмотря на это он является не самой сложной частью мобильного телефона. В основном он состоит из фильтров, малошумящих усилителей, управляемых генераторов, схем демодуляции и модуляции.

Радиоблок должен использовать все возможности антенны, размеры которой максимально уменьшены. Как ожидается, со временем антенны мобильных телефонов станут компонентом поверхностного монтажа. К задачам радиоблока также относят высокую эффективность использования энергии, для обеспечения работы мобильного телефона в течение нескольких часов в режиме передачи от батареи средней емкости.

Передающий блок работает только во время связи. Им передаются пакеты данных, при переходе мобильного телефона из одной соты в другую или по запросу сети. Аналогичные процессы происходят и во время звонка (так как перед началом звонка мобильный телефон подтверждает свое нахождение в сети).

Радиоблоки различных моделей мобильных телефонов имеют различные технические характеристики. На территориях с неустойчивой связью некоторые модели мобильных телефонов, обслуживающиеся одним оператором сотовой связи, работают устойчиво, другие нет.

Нередко модели телефонов, имеющих хорошие показатели автономной работы, имеют небольшой радиус действия в «сложный условиях». Устройство многодиапазонных мобильных телефонов допускает компромиссы, определенные их концепцией.

Производители располагают радиоблок на печатной плате как можно ближе к антенне. В отношении радиоблока принимаются строгие меры предосторожности относительно электромагнитной совместимости. Объясняется это тем, что он расположен рядом со схемами, обладающими большой чувствительностью.

Аудиоблок.

В состав аудиоблока (блок обработки сигнала основной полосы) за исключением собственных схем входят также микротелефон, микрофон, а при оснащении мобильного телефона комплектом hands free (громкоговоритель) еще и динамик.

Основной функцией данного блока является декодирование и кодирование сигналов с помощью кодека (декодера-кодера). За исключением функций цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования аудиоблок применяется для декомпрессии и сжатия данных. Это необходимо для получения при низкой скорости передачи данных хорошего звука.

На сегодняшний день этот блок практически всегда выполнен на базе цифрового процессора сигналов DSP. Мощность обработки сигналов оказывается достаточной для внедрения таких функций как распознавание речи.

Между аудио и радиоблоком расположен квадратурный I/Q-модулятор, изменяющий фазы передаваемых битов на 90°, и демодулятор, который выполняет обратное преобразование.

Блок логики.

Микропроцессор является «сердцем» любого мобильного телефона. Им выполняются сложные логические операции, которые запрограммированы в памяти. Все функциональные особенности конкретной модели мобильного телефона заложены в программе микропроцессора.

Кроме дисплея и клавиатуры, которые согласно стандарту GSM определяются как интерфейс «машина-человек», блоком логики управляется зуммер, который выполняет роль звонка, устройство вибрации, блоки радио и аудио, устройство для считывания данных с SIM-карт и устройство для заряда аккумуляторных батарей.

Помимо этих периферийных устройств в состав блока логики входит энергонезависимая защищенная память, в которой находятся «конфиденциальные данные» (IMEI - идентификационный номер мобильного телефона, коды «отпирания»).

SIM-карта сотового телефона.

SIM-карта является ключом аутентификации и идентификации владельца мобильного телефона. Она устанавливается в соединительное устройство, которое связано с блоком логики с помощью схем сопряжения.

SIM-карта является асинхронной чип-картой, соответствующей стандартам GSM 11.11 и ISO 7816.

SIM-карта оснащена мощным микропроцессором, способным с помощью соответствующих команд «общаться» с микропроцессором телефона. На данный момент процессор карты начинает конкурировать с микропроцессором телефона. Помимо управления к доступу данных, SIM-картой осуществляется добавление собственных меню (технология SIM Toolkit) или выполнение приложений (электронный кошелек, навигатор Internet).

В будущем, вне всякого сомнения, мобильные телефоны будут производиться с двойным разъемом (dual-slot). Второе устройство для считывания будет способно работать не только с SIM, но и банковской картой.

Блок питания.

На данный момент в мобильных телефонах используются литиево-ионные (Li-ion), никель-металлогидридные (Ni-MH) и никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторные батареи. Эти батареи обеспечивают достаточный уровень автономной работы.

Основной функцией блока питания является обеспечение различных схем сотового телефона необходимыми для их работы величинами напряжений до разряда аккумуляторной батареи.

Часто блок питания состоит из нескольких стабилизаторов (импульсных или линейных).

Как правило в мобильных телефонах используются аккумуляторные батареи 3,6 В (три каскада по 1,2 В). Она обеспечивает питание каскадов радиоблока (напряжение 3,0 В), другие части радиоблока (2,8 В) и схемы обработки сигналов основной полосы (2,0 В).

SIM-карта и блок логики обычной используют напряжение 3 В или, при использовании повышающего импульсного трансформатора, 5 В.

Другой функцией блока питания является управление аккумуляторной батареей. Для этого используются схемы заряда и схемы, использующиеся для индикации состояния заряда/разряда батареи.

В мобильных телефонах применяются четвертьволновые штыревые антенны. Длина антенн составляет 8 см для GSM 900 и 4 см для GSM 1800, в соответствии с используемыми частотами.

Часто применяются миниатюрные антенны, припаянные к печатной плате мобильного телефона. Так же стоит отметить, что со временем антенны мобильных телефонов превратятся в элементы поверхностного монтажа.

Вибраторы.

Вибраторы, которыми оснащены мобильные телефоны, заменяют звонок в случаях, когда необходимо соблюсти конфиденциальность.

Вибраторы, применяемые в мобильных телефонах, работают на электромагнитном принципе. Входящих в их состав микродвигатель приводит в движение элемент типа эксцентрика. Вращение этого элемента (довольно массивного) вызывает сильную вибрацию, хорошо ощутимую и бесшумную.

Вибраторы потребляют по сравнению со звуковыми устройствами значительно большее количество энергии. Ток потребления при этом составляет прядка 100 мА, что при частом использовании вибратора приведет к быстрому разряду аккумуляторной батареи.

Общее устройство RF цепей мобильного телефона helpmymac wrote in April 9th, 2013

Занимаясь ремонтом сотовых телефонов вы просто обязаны знать устройство RF-цепей. Понимая устройство этой части телефона у вас не возникнет вопросов при решении проблем типа "Нет сигнала", "Слабый сигнал" и т.п. RF часть отвечает за радио-частотную составляющую мобильного телефона, то есть за прием и передачу данных.

Давайте посмотрим на блок-схему и разберемся как она работает.
В обычном положении (когда никто не звонит и не в данный момент не отправляется SMS) телефон работает на прием. Так называемая RX часть всегда активна и готова принять информацию, а Antenna Switch открыта в направлении RX.

Во время звонка или отправки SMS, Antenna Switch закрывается в направлении RX и переключается в сторону TX. Все данные обрабатываются в Baseband processor, то есть полученные данные идут прямиком на него. И перед отправкой данные тоже первоначально обрабатываются в Baseband processor.

Давайте рассмотрим все компоненты подробнее:
RF Reciver (радио частотный приемник)
RF Reciver называется RX, эта микросхема отвечает за прием сигнала. Неисправность этой микросхемы приведет к тому, что телефон не сможет получать любые данные.

RF Transmitter (радио частотный передатчик)
RF Transmitter называется TX, он отвечает за передачу данных с мобильного телефона. Неисправность этой части приведет к невозможности передачи данных с телефона.

Power Amplifier RFPA (Radio Frequency Power Amplifier)
RFPA это усилитель. Сигнал выйдя с TX попадает на RFPA и лишь потом попадает на антенну. В современных телефонах изготавливают два усилителя на разные диапазоны. Когда телефон никуда не звонит, то RFPA ничего не потребляет. Когда же мы решим позвонить, усилитель мощности начинает потреблять 1А. Потом базовая станция дает команду снизить мощность. При неисправности RFPA сигнал будет теряться или индикация сигнала будет скакать. Неисправная RFPA может потреблять ток более 2А.

Antenna. Плохой сигнал может быть следствием повреждения антенны.

Antenna switch. Работает как канал, который регулирует куда переправлять данные. Либо прием данных в RX, либо передача данных с TX. При неисправности, может находиться в закрытом положении и вследствие чего будет отсутствие сигнала.

RF часть обычно спрятана под металлическим экраном, в отличие от Baseband Processor. Это связано с тем, что она подвержена радио-частотным помехам и именно поэтому ее защищают от внешних воздействий.

А в последние лет 5-10 прорывом в области сотовой связи стало появление, а затем и широкое распространение смартфонов. Что же такое смартфон, в чем его отличие от простых мобильников и как его выбрать? Вот об этом мы сейчас и поговорим.

Смартфон – это аппарат, в котором функции сотовой связи сочетаются с функциями . Кроме совершения голосовых звонков, SMS, функций голосовой почты, с помощью смартфона Вы сможете осуществлять доступ в Интернет, получать и отправлять электронную почту, общаться в социальных сетях и чатах, редактировать офисные документы, слушать музыку, снимать фото и видео, а также многое другое.

Нужны ли все эти функции начинающему пользователю (т.е. «чайнику»), это решать только Вам. В принципе, поддержка той или иной возможности в смартфоне зависит не только от технических параметров аппарата, но и от вида операционной системы, которая предустановленна в данную модель, а также ее текущей версии и установленного программного обеспечения.

Сейчас пошла «мода» на смартфоны и их покупают все подряд, и школьники, и студенты, и даже некоторые продвинутые пенсионеры… Прежде, чем приступить к выбору смартфона, давайте же разберемся, а нужен ли он именно Вам?

1. Кому нужен смартфон?

Статья:

Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.

Предисловие

В этой статье мы разберем устройство дисплеев современных мобильных телефонов, смартфонов и планшетов. Экраны крупных устройств (мониторов, телевизоров и т.п.), за исключением небольших нюансов, устроены аналогично.

Разборку будем проводить не только теоретически, но и практически, со вскрытием дисплея "жертвенного" телефона.

Рассматривать, как устроен современный дисплей, мы будем на примере наиболее сложного их них - жидкокристаллического (LCD - liquid crystal display ). Иногда их называют TFT LCD , где сокращение TFT расшифровывается "thin-film transistor" - тонкопленочный транзистор; поскольку управление жидкими кристаллами осуществляется благодаря таким транзисторам, нанесенным на подложку вместе с жидкими кристаллами.

В качестве "жертвенного" телефона, дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.

Основные составные части дисплея

Жидкокристаллические дисплеи (TFT LCD , и их модификации - TN, IPS, IGZO и т.д.) состоят укрупненно из трех составных частей: сенсорной поверхности, устройства формирования изображения (матрица) и источника света (лампы подсветки).Между сенсорной поверхностью и матрицей расположен еще один слой, пассивный. Он представляет собой прозрачный оптический клей или просто воздушный промежуток. Существование этого слоя связано с тем, что в ЖК-дисплеях экран и сенсорная поверхность представляют собой совершенно разные устройства, совмещенные чисто механически.

Каждая из "активных" составных частей имеет достаточно сложную структуру.

Начнем с сенсорной поверхности (тачскрин, touchscreen). Она располагается самым верхним слоем в дисплее (если она есть; а в кнопочных телефонах, например, ее нет).
Её наиболее распространенный сейчас тип - ёмкостная. Принцип действия такого тачскрина основан на изменении электрической емкости между вертикальными и горизонтальными проводниками при прикосновении пальца пользователя.
Соответственно, чтобы эти проводники не мешали рассматривать изображение, они делаются прозрачными из специальных материалов (обычно для этого используется оксид индия-олова).

Существуют также и сенсорные поверхности, реагирующие на силу нажатия (т.н. резистивные), но они уже "сходят с арены".
В последнее время появились и комбинированные сенсорные поверхности, реагирующие одновременно и на емкость пальца, и на силу нажатия (3D-touch -дисплеи). Их основу составляет емкостной сенсор, дополненный датчиком силы нажатия на экран.

Тачскрин может быть отделен от экрана воздушным промежутком, а может быть и склеен с ним (так называемое "решение с одним стеклом", OGS - one glass solution).
Такой вариант (OGS) имеет значительное преимущество по качеству, поскольку уменьшает уровень отражения в дисплее от внешних источников света. Это достигается за счет уменьшения количества отражающих поверхностей.
В "обычном" дисплее (с воздушным промежутком) таких поверхностей - три. Это - границы переходов между средами с разным коэффициентом преломления света: "воздух-стекло", затем - "стекло-воздух", и, наконец, снова "воздух-стекло". Наиболее сильные отражения - от первой и последней границ.

В варианте же с OGS отражающая поверхность - только одна (внешняя), "воздух-стекло".

Хотя собственно для пользователя дисплей с OGS очень удобен и имеет хорошие характеристики; есть у него и недостаток, который "всплывает", если дисплей разбить. Если в "обычном" дисплее (без OGS) при ударе разбивается только сам тачскрин (чувствительная поверхность), то при ударе дисплея с OGS может разбиться и весь дисплей целиком. Но происходит это не всегда, поэтому утверждения некоторых порталов о том, что дисплеи с OGS абсолютно не ремонтируемые - не верно. Вероятность того, что разбилась только внешняя поверхность - довольно велика, выше 50%. Но ремонт с отделением слоев и приклейкой нового тачскрина возможен только в сервис-центре; отремонтировать своими руками крайне проблематично.

Экран

Теперь переходим к следующей части - собственно экрану.

Он состоит из матрицы с сопутствующими слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).

Задача матрицы и относящихся к ней слоев - изменить количество проходящего через каждый пиксель света от лампы подсветки, формируя тем самым изображение; то есть в данном случае регулируется прозрачность пикселей.

Немного детальнее об этом процессе.

Регулировка "прозрачности" осуществляется за счет изменения направления поляризации света при прохождении через жидкие кристаллы в пикселе под воздействием на них электрического поля (или наоборот, при отсутствии воздействия). При этом само по себе изменение поляризации еще не меняет яркости проходящего света.

Изменение яркости происходит при прохождении поляризованного света через следующий слой - поляризационную пленку с "фиксированным" направлением поляризации.

Схематично структура и работа матрицы в двух состояниях ("есть свет" и "нет света") изображена на следующем рисунке:

(использовано изображение из нидерландского раздела Википедии с переводом на русский язык)

Поворот поляризации света происходит в слое жидких кристаллов в зависимости от приложенного напряжения.
Чем больше совпадут направления поляризации в пикселе (на выходе из жидких кристаллов) и в пленке с фиксированной поляризацией, тем больше в итоге проходит света через всю систему.

Если направления поляризации получатся перпендикулярными, то свет теоретически вообще проходить не должен - должен быть черный экран.

На практике такое "идеальное" расположение векторов поляризации создать невозможно; причем как из-за "неидеальности" жидких кристаллов, так и не идеальной геометрии сборки дисплея. Поэтому и абсолютно-черного изображения на TFT экране не может быть. На лучших LCD экранах контрастность белое/черное может быть свыше 1000; на средних 500...1000, на остальных - ниже 500.

Только что была описана работа матрицы, изготовленной по технологии LCD TN+film. Жидкокристаллические матрицы по другим технологиям имеют схожие принципы работы, но другую техническую реализацию. Наилучшие результаты по цветопередаче получаются по технологиям IPS, IGZO и *VA (MVA, PVA и т.п.).

Подсветка

Теперь переходим к самому "дну" дисплея - лампе подсветки. Хотя современная подсветка собственно ламп и не содержит.

Несмотря на простое название, лампа подсветки имеет сложную многослойную структуру.

Связано это с тем, что лампа подсветки должна быть плоским источником света с равномерной яркостью всей поверхности, а таких источников света в природе крайне мало. Да и те, что есть, не очень подходят для этих целей из-за низкого КПД, "плохого" спектра излучения, или же требуют "неподходящего" типа и величины напряжения свечения (например, электролюминесцентные поверхности, см. Википедию ).

В связи с этим сейчас наиболее распространены не чисто "плоские" источники света, а "точечная" светодиодная подсветка с применением дополнительных рассеивающих и отражающих слоев.

Рассмотрим такой тип подсветки, проведя "вскрытие" дисплея телефона Nokia 105.

Разобрав систему подсветки дисплея до её среднего слоя, мы увидим в левом нижнем углу единственный светодиод белого свечения, который направляет свое излучение внутрь почти прозрачной пластины через плоскую грань на внутреннем "срезе" угла:

Пояснения к снимку. В центре кадра - разделенный по слоям дисплей мобильного телефона. В середине на переднем плане снизу - покрытая трещинами матрица (повреждена при разборке). На переднем плане вверху - срединная часть системы подсветки (остальные слои временно удалены для обеспечения видимости излучающего белого светодиода и полупрозрачной "световодной" пластины).
Сзади дисплея видна материнская плата телефона (зеленого цвета) и клавиатура (снизу с круглыми отверстиями для передачи нажатия от кнопок).

Эта полупрозрачная пластина является одновременно и световодом (за счет внутренних переотражений), и первым рассеивающим элементом (за счет "пупырышков", создающих препятствия для прохождения света). В увеличенном виде они выглядят так:

В нижней части изображения левее середины виден яркий излучающий белый светодиод подсветки.

Форма белого светодиода подсветки лучше различима на снимке с пониженной яркостью его свечения:

Снизу и сверху этой пластины подкладывают обыкновенные белые матовые пластиковые листы, равномерно распределяющие световой поток по площади:

Его условно можно назвать "лист с полупрозрачным зеркалом и двойным лучепреломлением". Помните, на уроках физики нам рассказывали про исландский шпат, при прохождении через который свет раздваивался? Вот это похоже на него, только еще и немного с зеркальными свойствами.

Вот так выглядят обычные наручные часы, если часть их прикрыть этим листом:

Вероятное назначение этого листа - предварительная фильтрация света по поляризации (сохранить нужную, отбросить ненужную). Но не исключено, что и в плане направления светового потока в сторону матрицы эта пленка тоже имеет какую-то роль.

Вот так устроена "простенькая" лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.

Что касается "больших" экранов, то их устройство - аналогично, но светодиодов в устройстве подсветки там больше.

В более старых жидкокристаллических мониторах вместо светодиодной подсветки использовали газосветные лампы с холодным катодом (CCFL, Cold Cathode Fluorescent Lamp) .

Структура дисплеев AMOLED

Теперь - несколько слов об устройстве нового и прогрессивного типа дисплеев - AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode ).

Устройство таких дисплеев значительно проще, так как там нет лампы подсветки.

Эти дисплеи образованы массивом светодиодов и светится там каждый пиксель в отдельности. Достоинствами дисплеев AMOLED являются "бесконечная" контрастность, отличные углы обзора и высокая энергоэффективность; а недостатками - уменьшенный срок "жизни" синих пикселей и технологические сложности изготовления больших экранов.

Также надо отметить, что, несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев AMOLED пока что выше, чем дисплеев TFT LCD.