摘要：PCB布局技術(shù)可用于優(yōu)化音頻放大器IC的RF噪聲抑制能力。在此我們將利用Maxim推出的MAX9750 IC進(jìn)行實(shí)例分析。

引言

RF抑制亦即RF敏感度，它已成為手機、MP3播放器及筆記本電腦的音頻領(lǐng)域中和PSRR、THD+N及SNR一樣重要的設計要素。藍牙技術(shù)正逐漸作為中耳機和話(huà)筒的無(wú)線(xiàn)串行電纜替代方案應用于移動(dòng)設備中。采用IEEE 802.11b/g協(xié)議的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)也已成為個(gè)人電腦和筆記本電腦的標準配置。GSM、PCS和DECT技術(shù)中的TDMA多路復用會(huì )引入較大的RF干擾。當今密集的RF環(huán)境引發(fā)了業(yè)界對電子電路RF敏感度和RF對整體系統完整性影響的關(guān)注。音頻放大器即是一個(gè)對RF敏感的系統模塊。

音頻放大器會(huì )對RF載波進(jìn)行解調，并在其輸出端再生出調制信號及其諧波成分。某些頻率會(huì )落入音頻基帶的范圍，從而在系統的揚聲器輸出端產(chǎn)生用戶(hù)不希望聽(tīng)見(jiàn)的“嗡嗡”聲。為了避免此問(wèn)題，系統設計員必需充分了解所選放大器IC的局限性及其相應的PCB布局。本文將指導設計人員如何優(yōu)化音頻放大器電路板的RF抑制能力。

尋找RF噪聲的來(lái)源

良好的布局(即，較好的RF抑制能力)的關(guān)鍵，首先要確認RF耦合噪聲的來(lái)源。如果所選的音頻放大器有評估板，則可利用評估板檢查各引腳的RF敏感度。選擇一個(gè)所感興趣的頻率，例如WLAN應用中的2.4GHz。根據天線(xiàn)原理，引線(xiàn)長(cháng)度為1.2英寸(2.4GHz RF信號的四分之一波長(cháng))的天線(xiàn)在2.4GHz頻率時(shí)效率很高。

l = c/(4*f)
其中l = 長(cháng)度，c = 3X10⁸，f = 頻率。

截取一段1.2英寸的導線(xiàn)并將其直接焊在IC的一個(gè)引腳上，測量(見(jiàn)附錄) IC在感興趣的頻率(2.4GHz ±10%)的RF抑制能力。取下1.2英寸引線(xiàn)并將其焊接到放大器的另一個(gè)引腳上，重復RF測量過(guò)程。請確保每次測試的條件均保持一致。用這種方法繼續測量，直至1.2英寸引線(xiàn)接到放大器的每個(gè)引腳，并且記錄下在感興趣頻率下的RF測量結果。最后，引腳不連接天線(xiàn)的情況下，測量IC的RF抑制能力。

最后一次測試為我們提供了一個(gè)放大器性能的基準。將該測試結果與先前的測試結果進(jìn)行比較，可以得出對RF解調信號最為敏感的放大器引腳。利用這些數據，我們可以對PCB的設計進(jìn)行優(yōu)化，減少被耦合到放大器引腳的RF噪聲。

電容的作用

舉所選IC的BIAS引腳為例。假定BIAS引腳在所感興趣的頻率下的RF抑制能力較差，則首先最該考慮的PCB設計是縮短從BIAS引腳至去耦電容之間的引線(xiàn)長(cháng)度。 如果在優(yōu)化引線(xiàn)長(cháng)度后RF解調情況還不理想，則考慮在放大器引腳增加一個(gè)小的旁路電容(大約10pF至100pF)到地。電容的阻抗特性可在系統最敏感的頻率上(在本例中為2.4GHz)形成陷波濾波器。請參考圖1A中電容模型(C1)的阻抗特性。


圖1A. 非理想電容模型


圖1B. 非理想電容模型，阻抗特性

如果C1為理想電容，則阻抗特性會(huì )隨著(zhù)頻率的提升而下降(X_C = 1/[2π x f x C])。但是，實(shí)際應用中并不存在理想電容。非理想電容模型(圖1B)的阻抗在自諧振頻率*下陷，然后隨著(zhù)頻率開(kāi)始上升。當頻率大于f_o時(shí)，則電感分量開(kāi)始增加(X_L = 2π x f x L)。如果將電容作為濾波器使用，當接近或高于其自諧振頻率時(shí)，則此種特性將會(huì )令濾波效果變差。但是，如果選擇電容將特定的高頻分量旁路接地，則此時(shí)電容的自諧振特性就可以派上用場(chǎng)了。

控制輸入引腳的噪聲

通常，音頻放大器的輸入引腳總是RF耦合噪聲的源頭，所以要確保輸入引線(xiàn)的長(cháng)度小于系統的RF信號波長(cháng)的1/4。安靜的地層同時(shí)也會(huì )減少耦合到輸入引腳的RF噪聲。應在IC的各個(gè)輸入引線(xiàn)周?chē)�布滿(mǎn)安靜的地層。此接地層有助于所選音頻放大器的輸入引腳與任意高頻RF信號的隔離。

圖2. MAX9750C揚聲器放大器的RF抑制能力測試結果：噪聲基底 = -94.4dBV。
注：圖2給出了MAX9750 IC的典型RF抑制能力。天線(xiàn)信號強度、電纜長(cháng)度及揚聲器類(lèi)型等一些外部因素也會(huì )影響RF抑制性能。

我們也可以采用一些高成本的方法，比如在RF敏感度較高的放大器針腳上增加LC濾波器或在電路板中增加低ESR電容。這些方法效果顯著(zhù)，但成本較高。如果可以確定RF噪聲的來(lái)源，則無(wú)需使用高成本解決方案。

總結

RF抑制能力較差的音頻放大器會(huì )影響整個(gè)系統設計的完整性。如果能夠找到問(wèn)題的根源所在，則可以采取適當的措施以避免音頻RF解調。通常情況下，輸入端、輸出端、偏置端和電源端的引線(xiàn)應小于系統RF信號波長(cháng)的1/4。如果需要提高RF抑制能力，可以采用一個(gè)小電容將IC引腳直接接地(即使該引腳上已連接了大電容)，并在易受影響的放大器引腳附近鋪上地層。最后，使大功率RF系統模塊遠離易受影響的音頻放大器引腳。在采取這些措施之后，將消除“討厭”的音頻解調“嗡嗡”聲。

* 自諧振時(shí)，容性和感性阻抗互相抵消，只留下阻性分量。自諧振頻率為：

附錄

為獲得精確的、具有可重復性的測試結果，我們需要將被測件(DUT)置于一個(gè)已知強度的RF場(chǎng)中。Maxim已開(kāi)發(fā)了一套測試方法：利用一個(gè)RF屏蔽試驗室、一個(gè)信號發(fā)生器、RF放大器以及一個(gè)場(chǎng)強檢測儀來(lái)測量RF敏感度以得到可靠的可重復測試結果。


圖A. RF噪聲抑制能力測量電路

上面的圖A是典型的運算放大器測試裝置(op-amp)。 放大器的同相輸入通過(guò)1.5英寸環(huán)線(xiàn)(模擬引線(xiàn))短路至地。我們選擇了標準的1.5英寸的輸入引線(xiàn)，這樣可以對多個(gè)Maxim的放大器的RF抑制能力進(jìn)行比較(注：DUT至輸入源之間的輸入引線(xiàn)在系統敏感頻率范圍內具有天線(xiàn)效應)。放大器的輸出端接有預先設定的負載。然后，放大器被置于屏蔽試驗室內。Maxim的RF屏蔽試驗系統模擬出一個(gè)RF環(huán)境，在放大器的輸出端對解調信號進(jìn)行監測。


圖B. Maxim的RF抑制測試方法

圖B顯示了Maxim的RF屏蔽試驗系統，該系統模擬出RF抑制試驗所需的RF場(chǎng)環(huán)境。 測試腔體與法拉第腔的屏蔽室類(lèi)似，將被測件與外部電場(chǎng)隔離起來(lái)。

完整的測試系統包含以下設備：

• 信號發(fā)生器：SML-03，9kHz至3.3GHz (Rhode&Schwarz)
• RF功率放大器：20MHz至1000MHz，20W (OPHIR 5124)
• RF功率放大器：1GHz至3GHz，50W (OPHIR 5173)
• 功率計：25MHz至1GHz (Rhode&Schwarz)
• 平行線(xiàn)單元(屏蔽腔)
• 場(chǎng)強檢測儀
• 計算機(PC)
• Fluke數字萬(wàn)用表(dBV表)

利用計算機設置信號發(fā)生器輸出的頻率范圍、調制比和調制類(lèi)型，以及RF功率放大器的功率輸出。調制信號被饋送到相應的功率放大器(OPHIR 5124：20MHz至1000MHz，20W或OPHIR 5173：1GHz至3GHz，50W)，并通過(guò)定向耦合器和功率計測量并監視放大器的輸出。所定義的RF場(chǎng)在測試室內均勻輻射。

測試時(shí)，Maxim將被測器件置于屏蔽室的中心。場(chǎng)強檢測儀對被測件所處的50V/m均勻場(chǎng)強進(jìn)行連續檢測。所采用的信號是頻率介于100MHz和3GHz之間變化的RF正弦波，與1kHz的音頻頻率進(jìn)行調制，調制度為100%。 通過(guò)測試室的接入端口為被測件供電，并通過(guò)接入端口連接輸出監測裝置。利用Fluke萬(wàn)用表(單位使用dBV)來(lái)實(shí)時(shí)監測解調的1kHz信號幅度。當RF正弦波頻率按預先的設定在100MHz和3GHz之間變化的同時(shí)，對Fluke萬(wàn)用表的報告結果進(jìn)行記錄。圖C是100MHz至3GHz掃頻的測試結果。


圖C. MAX9750 RF抑制測試結果