减小手机耳机放大器的RF敏感度方案.doc

减小手机耳机放大器的RF敏感度方案

5
2020年5月29日
文档仅供参考

摘要:很多现代音频放大器的设计没有考虑高频RF问题,而这些放大器却越来越多地暴露在强RF干扰环境中。本应用笔记以GSM手机为例,给出了一种降低耳机放大器RF敏感度的设计方案。MAX9724是经过谨慎设计,可抑制RF噪声的放大器。

免费注册参加在线研讨会,学习如何分析、测量并最终解决音频系统的设计问题。

问题
很多现代音频放大器的设计没有考虑高频RF问题,而这些放大器却越来越多地暴露在强RF干扰环境中。对于没有解决RF干扰的音频放大器设计,会将RF载波信息解调到音频频带。

一个非常突出的例子是GSM (全球移动通信系统)蜂窝电话系统。GSM标准采用时分多址(TDMA)方式实现多部手机与一个基站的同时通信。GSM手机以217Hz突发频率发送数据,从而产生一个受217Hz频率调制的强电场,恰好处于音频频带。虽然GSM手机工作在800MHz至1900MHz频率范围,但217Hz的包络是固定的。

GSM手机内的放大器必须能够抑制RF载波的217Hz包络频率,或完全屏蔽其电场。放大器与音频信号源之间的引线相当于天线。对于1/4波长与引线长度匹配的频率,天线效应最明显。对于900MHz信号,1/4波长为7.5cm;对于1900MHz信号1/4波长为3.5cm。因此,长度接近于上述两种规格的引线对附近功率放大器的干扰信号最敏感,会接收到较强的干扰信号。

随着移动电话音频放大器数量的不断增加,上述问题越来越明显。立体声耳机放大器给外部耳机提供声音和音乐信号;立体扬声器放大器则提供扩音和重放功能,需注意保证每个音频放大器都不受移动电话发射RF能量的影响。虽然扬声器和耳机放大器都能接收RF信号,但耳机放大器的信号幅度较低,问题更复杂。值得庆幸的是,能够经过多种途径降低RF噪音对放大器的影响。
方案1 - 将音频放大器集成到基带IC
一种改进耳机放大器RF敏感度的方法是将耳机放大器集成到基带处理器,可缩短音频源与放大器之间的引线长度。这种方案不但降低了天线效应,而且提高了电路的集成度。由于在敏感频率处输入不再有天线效应,从而避免RF对音频信号的干扰。

虽然采用集成技术可降低系统的RF敏感度,但基带处理器一般采用的是低成本耳机放大器,会在一定程度上降低音质。另外,这些放大器采用单电源供电,其输出信号的偏压在VDD/2左右。在将这些信号接至耳机扬声器时需要隔直电容,而隔直电容会占据很大的PCB面积,降低系统的低频响应,同时还会导致音频信号的失真。

由于集成方案中的耳机放大器靠近基带处理器,使敏感的模拟电路靠近嘈杂的数字电路,又会增加放大器的噪音输出。最终,集成方案也增大了耳机放大器地线布局的难度,从而降低系统音质。
方案2 - 改进输入和电源布线
为了避免集成耳机放大器带来的问题,必须选择专用的耳机放大器IC。即使选用了不是专门为抑制RF噪音而设计的耳机放大器,对电路板的仔细布局也可获得良好的音质和低RF敏感度。输入端的引线最有可能影响RF敏感度,这些引线应该布设在两个地层之间,以屏蔽外部RF电场。为了降低输入引线的天线效应,须尽可能缩短引线,使引线长度远小于敏感频率的1/4波长。

放大器电源也是拾取RF噪音的一个途径,电路板设计一般采用旁路电容来降低电源噪音,但在RF频率处,这些电容的自感应降低了高频率波的效能。图1给出了1µF和10pF陶瓷电容的阻抗随频率变化的曲线。在音频范围内,1µF电容对地阻抗较低,具有较好的噪音抑制能力。当频率高于1MHz时,其自感产生的阻抗高于容抗,使阻抗增大。如果在1µF电容处并联一只10pF电容,在800MHZ至1900MHz GSM频率范围内,小电容会旁路掉1µF电容的自感。

图1. 放大器的电源线会拾取 RF信号。图中数据表明1µF电容的对地阻抗低于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
采用集成处理器/放大器或经过电路板布局能够在一定程度上克服RF敏感度,但更简单的方案是采用不易受RF电场干扰的耳机放大器。MAX9724便是针对抑制RF噪声而设计的放大器,能够解决RF敏感度问题,而不需特殊的电路板设计,可大大简化产品的开发过程,降低成本。

图2给出了MAX9724与普通音频放大器的比较。为了测试RF敏感度,将放大器(安装在没有针对低敏感度进行改进的PCB上)放置在隔离的RF腔内,该RF腔能够在没有其它电场的环境中产生一个可控电场。射频腔内,RF信号在两块极板之间产生一个电场。进行RF敏感度测试时,在100MHz与3GHz之间以100MHz的间隔对PCB施加50V/m的电场。之因此选择50V/m的电场,是因为它能够模拟器件在实际应用中可能遇到的场强。用1kHz的正弦波对RF 载波进行100%振幅调制,产生放大器测试的最差工作条件。在放大器输出端测得的噪音是放大器解调后的1kHz包络幅度。

图2. 数据表明:与普通放大器相比,MAX9724有效降低了放大器的RF敏感度

在GSM临界频率处,MAX9724的抗干扰能力比同类放大器至少高39dB。假设放大器输出为-70dBV或更低时已经是近乎安静,或人耳感受不到嘈杂的环境,而MAX9724在整个GSM频段均可达到或低于这一噪声水平。普通放大器则在所有RF测试频率下都会输出可闻噪声。
结论
RF敏感度是手机音频放大器面临的关键问题。虽然将耳机放大器集成到基带处理器有助于解决这一问题,但具体方案却常常需要牺牲保真度。使用外部耳机放大器有两种方法能够抑制RF噪音(上述方案2和3):
1. 经过屏蔽并缩短输入信号引线降低输入放大器的RF能量;
2. 选择具有RF抑制功能的放大器,使耦合到输出端的噪声最小。
在某些情况下,只需采用上述技术中的一种就可充分降低RF敏感度。即便如此,也应选用具有RF抑制能力的耳机放大器,并仔细进行电路板布局,以便解决系统中的棘手问题。
减小手机耳机放大器的RF敏感度

摘要:很多现代音频放大器的设计没有考虑高频RF问题,而这些放大器却越来越多地暴露在强RF干扰环境中。本应用笔记以GSM手机为例,给出了一种降低耳机放大器RF敏感度的设计方案。MAX9724是经过谨慎设计,可抑制RF噪声的放大器。

免费注册参加在线研讨会,学习如何分析、测量并最终解决音频系统的设计问题。

问题
很多现代音频放大器的设计没有考虑高频RF问题,而这些放大器却越来越多地暴露在强RF干扰环境中。对于没有解决RF干扰的音频放大器设计,会将RF载波信息解调到音频频带。

一个非常突出的例子是GSM (全球移动通信系统)蜂窝电话系统。GSM标准采用时分多址(TDMA)方式实现多部手机与一个基站的同时通信。GSM手机以217Hz突发频率发送数据,从而产生一个受217Hz频率调制的强电场,恰好处于音频频带。虽然GSM手机工作在800MHz至1900MHz频率范围,但217Hz的包络是固定的。

GSM手机内的放大器必须能够抑制RF载波的217Hz包络频率,或完全屏蔽其电场。放大器与音频信号源之间的引线相当于天线。对于1/4波长与引线长度匹配的频率,天线效应最明显。对于900MHz信号,1/4波长为7.5cm;对于1900MHz信号,1/4波长为3.5cm。因此,长度接近于上述两种规格的引线对附近功率放大器的干扰信号最敏感,会接收到较强的干扰信号。

随着移动电话音频放大器数量的不断增加,上述问题越来越明显。立体声耳机放大器给外部耳机提供声音和音乐信号;立体扬声器放大器则提供扩音和重放功能,需注意保证每个音频放大器都不受移动电话发射RF能量的影响。虽然扬声器和耳机放大器都能接收RF信号,但耳机放大器的信号幅度较低,问题更复杂。值得庆幸的是,能够经过多种途径降低RF噪音对放大器的影响。
方案1 - 将音频放大器集成到基带IC
一种改进耳机放大器RF敏感度的方法是将耳机放大器集成到基带处理器,可缩短音频源与放大器之间的引线长度。这种方案不但降低了天线效应,而且提高了电路的集成度。由于在敏感频率处输入不再有天线效应,从而避免RF对音频信号的干扰。

虽然采用集成技术可降低系统的RF敏感度,但基带处理器一般采用的是低成本耳机放大器,会在一定程度上降低音质。另外,这些放大器采用单电源供电,其输出信号的偏压在VDD/2左右。在将这些信号接至耳机扬声器时需要隔直电容,而隔直电容会占据很大的PCB面积,降低系统的低频响应,同时还会导致音频信号的失真。

由于集成方案中的耳机放大器靠近基带处理器,使敏感的模拟电路靠近嘈杂的数字电路,又会增加放大器的噪音输出。最终,集成方案也增大了耳机放大器地线布局的难度,从而降低系统音质。
方案2 - 改进输入和电源布线
为了避免集成耳机放大器带来的问题,必须选择专用的耳机放大器IC。即使选用了不是专门为抑制RF噪音而设计的耳机放大器,对电路板的仔细布局也可获得良好的音质和低RF敏感度。输入端的引线最有可能影响RF敏感度,这些引线应该布设在两个地层之间,以屏蔽外部RF电场。为了降低输入引线的天线效应,须尽可能缩短引线,使引线长度远小于敏感频率的1/4波长。

放大器电源也是拾取RF噪音的一个途径,电路板设计一般采用旁路电容来降低电源噪音,但在RF频率处,这些电容的自感应降低了高频率波的效能。图1给出了1µF和10pF陶瓷电容的阻抗随频率变化的曲线。在音频范围内,1µF电容对地阻抗较低,具有较好的噪音抑制能力。当频率高于1MHz时,其自感产生的阻抗高于容抗,使阻抗增大。如果在1µF电容处并联一只10pF电容,在800MHZ至1900MHz GSM频率范围内,小电容会旁路掉1µF电容的自感。

图1. 放大器的电源线会拾取 RF信号。图中数据表明1µF电容的对地阻抗低于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

采用集成处理器/放大器或经过电路板布局能够在一定程度上克服RF敏感度,但更简单的方案是采用不易受RF电场干扰的耳机放大器。MAX9724便是针对抑制RF噪声而设计的放大器,能够解决RF敏感度问题,而不需特殊的电路板设计,可大大简化产品的开发过程,降低成本。

图2给出了MAX9724与普通音频放大器的比较。为了测试RF敏感度,将放大器(安装在没有针对低敏感度进行改进的PCB上)放置在隔离的RF腔内,该RF腔能够在没有其它电场的环境中产生一个可控电场。射频腔内,RF信号在两块极板之间产生一个电场。进行RF敏感度测试时,在100MHz与3GHz之间以100MHz的间隔对PCB施加50V/m的电场。之因此选择50V/m的电场,是因为它能够模拟器件在实际应用中可能遇到的场强。用1kHz的正弦波对RF 载波进行100%振幅调制,产生放大器测试的最差工作条件。在放大器输出端测得的噪音是放大器解调后的1kHz包络幅度。

图2. 数据表明:与普通放大器相比,MAX9724有效降低了放大器的RF敏感度

在GSM临界频率处,MAX9724的抗干扰能力比同类放大器至少高39dB。假设放大器输出为-70dBV或更低时已经是近乎安静,或人耳感受不到嘈杂的环境,而MAX9724在整个GSM频段均可达到或低于这一噪声水平。普通放大器则在所有RF测试频率下都会输出可闻噪声。
结论
RF敏感度是手机音频放大器面临的关键问题。虽然将耳机放大器集成到基带处理器有助于解决这一问题,但具体方案却常常需要牺牲保真度。使用外部耳机放大器有两种方法能够抑制RF噪音(上述方案2和3):
1. 经过屏蔽并缩短输入信号引线降低输入放大器的RF能量;
2. 选择具有RF抑制功能的放大器,使耦合到输出端的噪声最小。
在某些情况下,只需采用上述技术中的一种就可充分降低RF敏感度。即便如此,也应选用具有RF抑制能力的耳机放大器,并仔细进行电路板布局,以便解决系统中的棘手问题。