減小手機耳機放大器的RF敏感度設計方案

中心議題：
減小手機耳機放大器的RF敏感度
解決方案：
將音頻放大器集成到基帶IC
改善輸入和電源布線
采用RF抑制放大器
很多現代音頻放大器的設計沒有考慮高頻RF問題，而這些放大器卻越來越多地暴露在強RF干擾環(huán)境中。對于沒有解決RF干擾的音頻放大器設計，會將RF載波信息解調到音頻頻帶。
一個非常突出的例子是GSM(全球移動通信系統(tǒng))蜂窩電話系統(tǒng)。GSM標準采用時分多址(TDMA)方式實現多部手機與一個基站的同時通信。GSM手機以217Hz突發(fā)頻率發(fā)送數據，從而產生一個受217Hz頻率調制的強電場，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包絡頻率，或完全屏蔽其電場。放大器與音頻信號源之間的引線相當于天線。對于1/4波長與引線長度匹配的頻率，天線效應最明顯。對于900MHz信號，1/4波長為7.5cm；對于1900MHz信號，1/4波長為3.5cm。因此，長度接近于上述兩種規(guī)格的引線對附近功率放大器的干擾信號最敏感，會接收到較強的干擾信號。

隨著移動電話音頻放大器數量的不斷增加，上述問題越來越明顯。立體聲耳機放大器給外部耳機提供聲音和音樂信號；立體揚聲器放大器則提供擴音和重放功能，需注意保證每個音頻放大器都不受移動電話發(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，問題更復雜。值得慶幸的是，可以通過多種途徑降低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長度。這種方案不僅降低了天線效應，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效應，從而避免RF對音頻信號的干擾。

雖然采用集成技術可降低系統(tǒng)的RF敏感度，但基帶處理器通常采用的是低成本耳機放大器，會在一定程度上降低音質。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需要隔直電容，而隔直電容會占據很大的PCB面積，降低系統(tǒng)的低頻響應，同時還會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布局的難度，從而降低系統(tǒng)音質。

方案2-改善輸入和電源布線

為了避免集成耳機放大器帶來的問題，必須選擇專用的耳機放大器IC。即使選用了不是專門為抑制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，這些引線應該布設在兩個地層之間，以屏蔽外部RF電場。為了降低輸入引線的天線效應，須盡可能縮短引線，使引線長度遠小于敏感頻率的1/4波長。

大器電源也是拾取RF噪音的一個途徑，電路板設計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。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，其自感產生的阻抗高于容抗，使阻抗增大。如果在1μF電容處并聯(lián)一只10pF電容，在800MHZ至1900MHzGSM頻率范圍內，小電容會旁路掉1μF電容的自感。


圖1.放大器的電源線會拾取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敏感度問題，而不需特殊的電路板設計，可大大簡化產品的開發(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(安裝在沒有針對低敏感度進行改進的PCB上)放置在隔離的RF腔內，該RF腔可以在沒有其它電場的環(huán)境中產生一個可控電場。射頻腔內，RF信號在兩塊極板之間產生一個電場。進行RF敏感度測試時，在100MHz與3GHz之間以100MHz的間隔對PCB施加50V/m的電場。之所以選擇50V/m的電場，是因為它可以模擬器件在實際應用中可能遇到的場強。用1kHz的正弦波對RF載波進行100%振幅調制，產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放大器至少高39dB。假設放大器輸出為-70dBV或更低時已經是近乎安靜，或人耳感受不到嘈雜的環(huán)境，而MAX9724在整個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測試頻率下都會輸出可聞噪聲。

RF敏感度是手機音頻放大器面臨的關鍵問題。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)：
通過屏蔽并縮短輸入信號引線降低輸入放大器的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，并仔細進行電路板布局，以便解決系統(tǒng)中的棘手問題。