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(shè)計要素。藍(lán)牙技術(shù)正逐漸作為中耳機和話筒的無線串行電纜替代方案應(yīng)用于移動設(shè)備中。采用 IEEE 802.11b/g 協(xié)議的無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)也已成為個人電腦和筆記本電腦的標(biāo)準(zhǔn)配置。GSM、PCS 和 DECT 技術(shù)中的 TDMA 多路復(fù)用會引入較大的 RF 干擾。當(dāng)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(tǒng)完整性影響的關(guān)注。音頻放大器即是一個對 RF 敏感的系統(tǒng)模塊。

 

音頻放大器會對 RF 載波進(jìn)行解調(diào)，并在其輸出端再生出調(diào)制信號及其諧波成分。某些頻率會落入音頻基帶的范圍，從而在系統(tǒng)的揚聲器輸出端產(chǎn)生用戶不希望聽見的“嗡嗡”聲。為了避免此問題，系統(tǒng)設(shè)計員必需充分了解所選放大器 IC 的局限性及其相應(yīng)的 PCB 布局。本文將指導(dǎo)設(shè)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 噪聲的來源

良好的布局(即，較好的 RF 抑制能力)的關(guān)鍵，首先要確認(rèn) RF 耦合噪聲的來源。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。選擇一個所感興趣的頻率，例如 WLAN 應(yīng)用中的 2.4GHz。根據(jù)天線原理，引線長度為 1.2 英寸(2.4GHz RF 信號的四分之一波長)的天線在 2.4GHz 頻率時效率很高。 

 

l = c/(4*f)

 

其中 l = 長度，c = 3X108，f = 頻率。

 

截取一段 1.2 英寸的導(dǎo)線并將其直接焊在 IC 的一個引腳上，測量(見附錄) IC 在感興趣的頻率(2.4GHz ±10%)的 RF 抑制能力。取下 1.2 英寸引線并將其焊接到放大器的另一個引腳上，重復(fù) RF 測量過程。請確保每次測試的條件均保持一致。用這種方法繼續(xù)測量，直至 1.2 英寸引線接到放大器的每個引腳，并且記錄下在感興趣頻率下的 RF 測量結(jié)果。最后，引腳不連接天線的情況下，測量 IC 的 RF 抑制能力。

 

最后一次測試為我們提供了一個放大器性能的基準(zhǔn)。將該測試結(jié)果與先前的測試結(jié)果進(jìn)行比較，可以得出對 RF 解調(diào)信號最為敏感的放大器引腳。利用這些數(shù)據(jù)，我們可以對 PCB 的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，減少被耦合到放大器引腳的 RF 噪聲。 

 

MAX9750 實例分析：工程評估結(jié)果表明 MAX9750 IC 中 RF 敏感度最高的九個引腳：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(shè)計是縮短從 BIAS 引腳至去耦電容之間的引線長度。 如果在優(yōu)化引線長度后 RF 解調(diào)情況還不理想，則考慮在放大器引腳增加一個小的旁路電容(大約 10pF 至 100pF)到地。電容的阻抗特性可在系統(tǒng)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，則阻抗特性會隨著頻率的提升而下降(XC = 1/[2π x f x C])。但是，實際應(yīng)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，然后隨著頻率開始上升。當(dāng)頻率大于 fo 時，則電感分量開始增加(XL = 2π x f x L)。如果將電容作為濾波器使用，當(dāng)接近或高于其自諧振頻率時，則此種特性將會令濾波效果變差。但是，如果選擇電容將特定的高頻分量旁路接地，則此時電容的自諧振特性就可以派上用場了。 

 

MAX9750 實例分析：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的長度小于系統(tǒng)的 RF 信號波長的 1/4。安靜的地層同時也會減少耦合到輸入引腳的 RF 噪聲。應(yīng)在 IC 的各個輸入引線周圍布滿安靜的地層。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 實例分析：將輸入引線長度縮短三倍，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(jié)果：噪聲基底 = -94.4dBV。

 

注：圖 2 給出了 MAX9750 IC 的典型 RF 抑制能力。天線信號強度、電纜長度及揚聲器類型等一些外部因素也會影響 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，但成本較高。如果可以確定 RF 噪聲的來源，則無需使用高成本解決方案。

 

總結(jié)

RF 抑制能力較差的音頻放大器會影響整個系統(tǒng)設(shè)計的完整性。如果能夠找到問題的根源所在，則可以采取適當(dāng)?shù)拇胧┮员苊庖纛l RF 解調(diào)。通常情況下，輸入端、輸出端、偏置端和電源端的引線應(yīng)小于系統(tǒng) RF 信號波長的 1/4。如果需要提高 RF 抑制能力，可以采用一個小電容將 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(tǒng)模塊遠(yuǎn)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(diào)“嗡嗡”聲。

 

* 自諧振時，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(fù)性的測試結(jié)果，我們需要將被測件(DUT)置于一個已知強度的 RF 場中。Maxim 已開發(fā)了一套測試方法：利用一個 RF 屏蔽試驗室、一個信號發(fā)生器、RF 放大器以及一個場強檢測儀來測量 RF 敏感度以得到可靠的可重復(fù)測試結(jié)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 1.5 英寸環(huán)線(模擬 PCB 引線)短路至地。我們選擇了標(biāo)準(zhǔn)的 1.5 英寸的輸入引線，這樣可以對多個 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在系統(tǒng)敏感頻率范圍內(nèi)具有天線效應(yīng))。放大器的輸出端接有預(yù)先設(shè)定的負(fù)載。然后，放大器被置于屏蔽試驗室內(nèi)。Maxim 的 RF 屏蔽試驗系統(tǒng)模擬出一個 RF 環(huán)境，在放大器的輸出端對解調(diào)信號進(jìn)行監(jiān)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(tǒng)，該系統(tǒng)模擬出 RF 抑制試驗所需的 RF 場環(huán)境。 測試腔體與法拉第腔的屏蔽室類似，將被測件與外部電場隔離起來。

 

完整的測試系統(tǒng)包含以下設(shè)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)

平行線單元(屏蔽腔)

場強檢測儀

計算機(PC)

Fluke 數(shù)字萬用表(dBV 表)

 

利用計算機設(shè)置信號發(fā)生器輸出的頻率范圍、調(diào)制比和調(diào)制類型，以及 RF 功率放大器的功率輸出。調(diào)制信號被饋送到相應(yīng)的功率放大器(OPHIR 5124：20MHz 至 1000MHz，20W 或 OPHIR 5173：1GHz 至 3GHz，50W)，并通過定向耦合器和功率計測量并監(jiān)視放大器的輸出。所定義的 RF 場在測試室內(nèi)均勻輻射。 

 

測試時，Maxim 將被測器件置于屏蔽室的中心。場強檢測儀對被測件所處的 50V/m 均勻場強進(jìn)行連續(xù)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(diào)制，調(diào)制度為 100%。 通過測試室的接入端口為被測件供電，并通過接入端口連接輸出監(jiān)測裝置。利用 Fluke 萬用表(單位使用 dBV)來實時監(jiān)測解調(diào)的 1kHz 信號幅度。當(dāng) RF 正弦波頻率按預(yù)先的設(shè)定在 100MHz 和 3GHz 之間變化的同時，對 Fluke 萬用表的報告結(jié)果進(jìn)行記錄。圖 C 是 100MHz 至 3GHz 掃頻的測試結(jié)果。

 

圖 C. MAX9750 RF 抑制測試結(jié)果