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。
MAX9750 實(shí)例分析：工程評估結果表明 MAX9750 IC 中 RF 敏感度最高的九個(gè)引腳：INL、INR、BIAS、VOL、BEEP、OUTL_ 和 OUTR_。
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(XC = 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 fo 時(shí)，則電感分量開(kāi)始增加(XL = 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。
MAX9750 實(shí)例分析：33pF 電容加在 BIAS 針腳上，改善了 RF 抑制能力(平均 3.6dB)。
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)紳M(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。
MAX9750 實(shí)例分析：將輸入引線(xiàn)長(cháng)度縮短三倍，并在左聲道、右聲道和 PC-beep 引腳上鋪上地層，將進(jìn)一步改善了 MAX9750 IC 的 RF 抑制能力(圖 2)。
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 PCB 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
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