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)蜂窩電話系統。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突發頻率發送數據，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，以便解決系統中的棘手問題。