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減小手機耳機放大器的RF敏感度

文章來(lái)源：永阜康科技更新時(shí)間：2018/8/17 9:51:00

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問(wèn)題

很多現代音頻放大器的設計沒(méi)有考慮高頻RF問(wèn)題，而這些放大器卻越來(lái)越多地暴露在強RF干擾環(huán)境中。對于沒(méi)有解決RF干擾的音頻放大器設計，會(huì )將RF載波信息解調到音頻頻帶。

一個(gè)非常突出的例子是GSM (全球移動(dòng)通信系統)蜂窩電話(huà)系統。GSM標準采用時(shí)分多址(TDMA)方式實(shí)現多部手機與一個(gè)基站的同時(shí)通信。GSM手機以217Hz突發(fā)頻率發(fā)送數據，從而產(chǎn)生一個(gè)受217Hz頻率調制的強電場(chǎng)，恰好處于音頻頻帶。雖然GSM手機工作在800MHz至1900MHz頻率范圍，但217Hz的包絡(luò )是固定的。

GSM手機內的放大器必須能夠抑制RF載波的217Hz包絡(luò )頻率，或完全屏蔽其電場(chǎng)。放大器與音頻信號源之間的引線(xiàn)相當于天線(xiàn)。對于1/4波長(cháng)與引線(xiàn)長(cháng)度匹配的頻率，天線(xiàn)效應最明顯。對于900MHz信號，1/4波長(cháng)為7.5cm；對于1900MHz信號，1/4波長(cháng)為3.5cm。因此，長(cháng)度接近于上述兩種規格的引線(xiàn)對附近功率放大器的干擾信號最敏感，會(huì )接收到較強的干擾信號。

隨著(zhù)移動(dòng)電話(huà)音頻放大器數量的不斷增加，上述問(wèn)題越來(lái)越明顯。立體聲耳機放大器給外部耳機提供聲音和音樂(lè )信號；立體揚聲器放大器則提供擴音和重放功能，需注意保證每個(gè)音頻放大器都不受移動(dòng)電話(huà)發(fā)射RF能量的影響。雖然揚聲器和耳機放大器都能接收RF信號，但耳機放大器的信號幅度較低，問(wèn)題更復雜。值得慶幸的是，可以通過(guò)多種途徑降低RF噪音對放大器的影響。

方案1—將音頻放大器集成到基帶IC

一種改善耳機放大器RF敏感度的方法是將耳機放大器集成到基帶處理器，可縮短音頻源與放大器之間的引線(xiàn)長(cháng)度。這種方案不僅降低了天線(xiàn)效應，而且提高了電路的集成度。由于在敏感頻率處輸入不再有天線(xiàn)效應，從而避免RF對音頻信號的干擾。

雖然采用集成技術(shù)可降低系統的RF敏感度，但基帶處理器通常采用的是低成本耳機放大器，會(huì )在一定程度上降低音質(zhì)。此外，這些放大器采用單電源供電，其輸出信號的偏壓在VDD/2左右。在將這些信號接至耳機揚聲器時(shí)需要隔直電容，而隔直電容會(huì )占據很大的PCB面積，降低系統的低頻響應，同時(shí)還會(huì )導致音頻信號的失真。

由于集成方案中的耳機放大器靠近基帶處理器，使敏感的模擬電路靠近嘈雜的數字電路，又會(huì )增加放大器的噪音輸出。最終,集成方案也增大了耳機放大器地線(xiàn)布局的難度，從而降低系統音質(zhì)。

方案2—改善輸入和電源布線(xiàn)

為了避免集成耳機放大器帶來(lái)的問(wèn)題，必須選擇專(zhuān)用的耳機放大器IC。即使選用了不是專(zhuān)門(mén)為抑制RF噪音而設計的耳機放大器，對電路板的仔細布局也可獲得良好的音質(zhì)和低RF敏感度。輸入端的引線(xiàn)最有可能影響RF敏感度，這些引線(xiàn)應該布設在兩個(gè)地層之間，以屏蔽外部RF電場(chǎng)。為了降低輸入引線(xiàn)的天線(xiàn)效應，須盡可能縮短引線(xiàn)，使引線(xiàn)長(cháng)度遠小于敏感頻率的1/4波長(cháng)。

放大器電源也是拾取RF噪音的一個(gè)途徑，電路板設計通常采用旁路電容來(lái)降低電源噪音，但在RF頻率處，這些電容的自感應降低了高頻率波的效能。圖1給出了1µF和10pF陶瓷電容的阻抗隨頻率變化的曲線(xiàn)。在音頻范圍內，1µF電容對地阻抗較低，具有較好的噪音抑制能力。當頻率高于1MHz時(shí)，其自感產(chǎn)生的阻抗高于容抗，使阻抗增大。如果在1µF電容處并聯(lián)一只10pF電容，在800MHZ至1900MHz GSM頻率范圍內，小電容會(huì )旁路掉1µF電容的自感。

圖1. 放大器的電源線(xiàn)會(huì )拾取 RF信號。圖中數據表明1µF電容的對地阻抗低于10pF的阻抗，提供更好的噪音抑制能力

方案3—采用RF抑制放大器

采用集成處理器/放大器或通過(guò)電路板布局能夠在一定程度上克服RF敏感度，但更簡(jiǎn)單的方案是采用不易受RF電場(chǎng)干擾的耳機放大器。MAX9724便是針對抑制RF噪聲而設計的放大器，可以解決RF敏感度問(wèn)題，而不需特殊的電路板設計，可大大簡(jiǎn)化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程，降低成本。

圖2給出了MAX9724與普通音頻放大器的比較。為了測試RF敏感度，將放大器(安裝在沒(méi)有針對低敏感度進(jìn)行改進(jìn)的PCB上)放置在隔離的RF腔內，該RF腔可以在沒(méi)有其它電場(chǎng)的環(huán)境中產(chǎn)生一個(gè)可控電場(chǎng)。射頻腔內，RF信號在兩塊極板之間產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。進(jìn)行RF敏感度測試時(shí)，在100MHz與3GHz之間以100MHz的間隔對PCB施加50V/m的電場(chǎng)。之所以選擇50V/m的電場(chǎng)，是因為它可以模擬器件在實(shí)際應用中可能遇到的場(chǎng)強。用1kHz的正弦波對RF 載波進(jìn)行100%振幅調制，產(chǎn)生放大器測試的最差工作條件。在放大器輸出端測得的噪音是放大器解調后的1kHz包絡(luò )幅度。

圖2. 數據表明：與普通放大器相比，MAX9724有效降低了放大器的RF敏感度

在GSM臨界頻率處，MAX9724的抗干擾能力比同類(lèi)放大器至少高39dB。假設放大器輸出為-70dBV或更低時(shí)已經(jīng)是近乎安靜，或人耳感受不到嘈雜的環(huán)境，而MAX9724在整個(gè)GSM頻段均可達到或低于這一噪聲水平。普通放大器則在所有RF測試頻率下都會(huì )輸出可聞噪聲。

結論

RF敏感度是手機音頻放大器面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。雖然將耳機放大器集成到基帶處理器有助于解決這一問(wèn)題，但具體方案卻常常需要犧牲保真度。使用外部耳機放大器有兩種方法能夠抑制RF噪音(上述方案2和3)：

通過(guò)屏蔽并縮短輸入信號引線(xiàn)降低輸入放大器的RF能量；
選擇具有RF抑制功能的放大器，使耦合到輸出端的噪聲最小。

在某些情況下，只需采用上述技術(shù)中的一種就可充分降低RF敏感度。即便如此，也應選用具有RF抑制能力的耳機放大器，并仔細進(jìn)行電路板布局，以便解決系統中的棘手問(wèn)題。

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