減小手機(jī)耳機(jī)放大器的RF敏感度的解決方法

問題

很多現(xiàn)代音頻放大器的設(shè)計(jì)沒有考慮高頻RF問題，而這些放大器卻越來越多地暴露在強(qiáng)RF干擾環(huán)境中。對(duì)于沒有解決RF干擾的音頻放大器設(shè)計(jì)，會(huì)將RF載波信息解調(diào)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(tǒng))蜂窩電話系統(tǒng)。GSM標(biāo)準(zhǔn)采用時(shí)分多址(TDMA)方式實(shí)現(xiàn)多部手機(jī)與一個(gè)基站的同時(shí)通信。GSM手機(jī)以217Hz突發(fā)頻率發(fā)送數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生一個(gè)受217Hz頻率調(diào)制的強(qiáng)電場，恰好處于音頻頻帶。雖然GSM手機(jī)工作在800MHz至1900MHz頻率范圍，但217Hz的包絡(luò)是固定的。

GSM手機(jī)內(nèi)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。放大器與音頻信號(hào)源之間的引線相當(dāng)于天線。對(duì)于1/4波長與引線長度匹配的頻率，天線效應(yīng)最明顯。對(duì)于900MHz信號(hào)，1/4波長為7.5cm；對(duì)于1900MHz信號(hào)，1/4波長為3.5cm。因此，長度接近于上述兩種規(guī)格的引線對(duì)附近功率放大器的干擾信號(hào)最敏感，會(huì)接收到較強(qiáng)的干擾信號(hào)。

隨著移動(dòng)電話音頻放大器數(shù)量的不斷增加，上述問題越來越明顯。立體聲耳機(jī)放大器給外部耳機(jī)提供聲音和音樂信號(hào)；立體揚(yáng)聲器放大器則提供擴(kuò)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)電話發(fā)射RF能量的影響。雖然揚(yáng)聲器和耳機(jī)放大器都能接收RF信號(hào)，但耳機(jī)放大器的信號(hào)幅度較低，問題更復(fù)雜。值得慶幸的是，可以通過多種途徑降低RF噪音對(duì)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(jī)放大器RF敏感度的方法是將耳機(jī)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長度。這種方案不僅降低了天線效應(yīng)，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效應(yīng)，從而避免RF對(duì)音頻信號(hào)的干擾。

雖然采用集成技術(shù)可降低系統(tǒng)的RF敏感度，但基帶處理器通常采用的是低成本耳機(jī)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(hào)的偏壓在VDD/2左右。在將這些信號(hào)接至耳機(jī)揚(yáng)聲器時(shí)需要隔直電容，而隔直電容會(huì)占據(jù)很大的PCB面積，降低系統(tǒng)的低頻響應(yīng)，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致音頻信號(hào)的失真。

由于集成方案中的耳機(jī)放大器靠近基帶處理器，使敏感的模擬電路靠近嘈雜的數(shù)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(jī)放大器地線布局的難度，從而降低系統(tǒng)音質(zhì)。

方案2：改善輸入和電源布線

為了避免集成耳機(jī)放大器帶來的問題，必須選擇專用的耳機(jī)放大器IC。即使選用了不是專門為抑制RF噪音而設(shè)計(jì)的耳機(jī)放大器，對(duì)電路板的仔細(xì)布局也可獲得良好的音質(zhì)和低RF敏感度。輸入端的引線最有可能影響RF敏感度，這些引線應(yīng)該布設(shè)在兩個(gè)地層之間，以屏蔽外部RF電場。為了降低輸入引線的天線效應(yīng)，須盡可能縮短引線，使引線長度遠(yuǎn)小于敏感頻率的1/4波長。

放大器電源也是拾取RF噪音的一個(gè)途徑，電路板設(shè)計(jì)通常采用旁路電容來降低電源噪音，但在RF頻率處，這些電容的自感應(yīng)降低了高頻率波的效能。圖1給出了1?F和10pF陶瓷電容的阻抗隨頻率變化的曲線。在音頻范圍內(nèi)，1?F電容對(duì)地阻抗較低，具有較好的噪音抑制能力。當(dāng)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1?F電容處并聯(lián)一只10pF電容，在800MHZ至1900MHz GSM頻率范圍內(nèi)，小電容會(huì)旁路掉1?F電容的自感。

方案3：采用RF抑制放大器

采用集成處理器/放大器或通過電路板布局能夠在一定程度上克服RF敏感度，但更簡單的方案是采用不易受RF電場干擾的耳機(jī)放大器。MAX9724便是針對(duì)抑制RF噪聲而設(shè)計(jì)的放大器，可以解決RF敏感度問題，而不需特殊的電路板設(shè)計(jì)，可大大簡化產(chǎn)品的開發(fā)過程，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(安裝在沒有針對(duì)低敏感度進(jìn)行改進(jìn)的PCB上)放置在隔離的RF腔內(nèi)，該RF腔可以在沒有其它電場的環(huán)境中產(chǎn)生一個(gè)可控電場。射頻腔內(nèi)，RF信號(hào)在兩塊極板之間產(chǎn)生一個(gè)電場。進(jìn)行RF敏感度測試時(shí)，在100MHz與3GHz之間以100MHz的間隔對(duì)PCB施加50V/m的電場。之所以選擇50V/m的電場，是因?yàn)樗梢阅M器件在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的場強(qiáng)。用1kHz的正弦波對(duì)RF 載波進(jìn)行100%振幅調(diào)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(diào)后的1kHz包絡(luò)幅度。

在GSM臨界頻率處，MAX9724的抗干擾能力比同類放大器至少高39dB。假設(shè)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(dá)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(jié)論

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

1.通過屏蔽并縮短輸入信號(hào)引線降低輸入放大器的RF能量；
2.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(yīng)選用具有RF抑制能力的耳機(jī)放大器，并仔細(xì)進(jìn)行電路板布局，以便解決系統(tǒng)中的棘手問題。