影響手機音頻質量的PSRR和電源噪聲

中心議題：

分析影響手機音頻質量的PSRR

分析影響手機音頻質量的電源噪聲

解決方案：

在輸入電壓變化時以較高的PSRR保持固定的輸出電壓

在整個電池電壓范圍內保持穩定電壓

不管手機網絡模式是GSM還是TDMA，RFtransmitter的開關動作都會給電源帶來嚴重的噪聲，因為射頻功放的開關頻率為217Hz。功放在每次開關時都會從電源吸取很大的電流(典型情況下高達1.7A)，使得電池等效串聯電阻(ESR)上將產生高達500mV的突發壓降(見圖1)。

　
　　對于嵌入了高分辨率音頻轉換器和音頻放大器的SoC設計或者高靈敏的MEMS來說，這種變化將危害SoC的總體性能，特別是音頻質量將受到嚴重影響，會聽得到嗡嗡的噪聲。
　　這種噪聲的特點是可聽得見，因為它不是隨機的噪聲。事實上，幅度低至10mv的噪聲如果以一個固定速率發生就可以被人耳聽見。這種噪聲比更大幅度的隨機噪聲更讓人討厭。
　　防止GSM噪聲降低音頻質量的最佳方法，就是使用具有很低壓降(LDO)和低輸出噪聲的線性穩壓器(LR)從鋰離子電池直接給音頻放大器供電。這種LDO線性穩壓器用作放大器電源的“清理”或濾波模塊。
　　選擇最佳線性穩壓器以防止GSM噪聲的關鍵標準，是穩壓器抑制來自輸入電壓的噪聲的能力，表示為電源抑制比(PSRR)。但PSRR指標還應與線性穩壓器的瞬態響應和壓降特性結合在一起考慮。
　　電源抑制比
　　PSRR代表了穩壓器在輸入電壓變化時保持輸出電壓穩定的能力。PSRR必須在一定的頻率范圍(當然包括關鍵的217Hz值)和穩壓器設計的最大輸出電流條件下加以規定。事實上，即使穩壓器達到最大負載要求(壓降最大)時抑制能力也必須得到確保。通常PSRR性能是在10kHz頻率點定義的，可能無法正確反映所期望的217Hz點噪聲抑制性能。
　　結論1：PSRR指標必須在一個完整的頻率范圍內進行分析，以正確計算穩壓器對任何可能的噪聲源(包括217Hz)的靈敏性。
　　瞬態響應和壓降
　　PSRR并不是確保音頻輸出端聽不到噪聲的唯一指標。線性穩壓器的瞬態響應特性、也就是穩壓器在電源或負載突變情況下使輸出電壓保持在理想穩定值的能力也非常重要。
　　假設Vin是輸入電壓，Vout是輸出電壓，Voutreg是穩定的輸出電壓，以下是需要考慮的一些要點：
　　假設Vdrop=穩壓器的最小壓降(Vin和Vout之間的最小壓差)
　　◎線性穩壓器設計被設計用來在輸入電壓變化時以較高的PSRR保持固定的輸出電壓。
　　◎當Vin>Voutreg Vdrop時，線性穩壓器正常工作，比如以70dB的PSRR輸出穩定電壓。
　　◎當VinVoutreg Vdrop時，線性穩壓器不再調節輸出電壓，Vout=Vin-Vdrop，PSRR=0dB，輸出電壓將跟隨輸入電壓變化。
　　因此，線性穩壓器只有在Vin>Voutreg Vdrop條件滿足時才具有較高的PSRR。
　　考慮如圖2所示的案例，其中線性穩壓器在3.6V的鋰離子電池和要求穩定的2.8V電壓的模擬模塊之間提供接口。

從圖2可以看到，電池電壓的500mV瞬變將如何依據線性穩壓器的有效壓降轉移到LDO輸出端。第1行的線性穩壓器(藍色實線)具有小于100mV的壓降，因此它保持在穩壓狀態。相反，第2行的線性穩壓器(紅色虛線)不能維持這樣的壓降，因為它要求輸入和輸出電壓之間至少有400mV的壓差。
　　結論2：對壓降非常小的線性穩壓器要求更加嚴格，因為電池電壓隨著時間的推移會降低，比如降至2.9V。在整個電池電壓范圍內保持穩定電壓很重要，由此得到的結論是壓降越低，電池有效供電時間就越長。
　　錯誤理解PSRR指標
　　具有400mV壓降指標的線性穩壓器是很常見的。甚至這種線性穩壓器規定的PSRR指標為85dB，但如果輸入電壓低于3.0 0.4=3.4V(圖2中的穩壓器例子)，該穩壓器就無法濾除任何噪聲，在這種情況下它的PSRR實際值為0dB!
　　如圖2所示，2號穩壓器的輸出端呈現的殘留TDMA噪聲在幾百個mV，無法用PSRR指標進行預測。
　　結論3：為了評估線性穩壓器輸出端的殘留噪聲，還必須考慮有效壓降。
　　為了有助于SoC設計者比較兩個線性穩壓器，必須給出最大電流時的壓降值。這樣能確保線性穩壓器得到正確的校準，以便驅動指定負載，并在所有工作條件下能正確抑制來自輸入電壓的噪聲。