在很多便攜式無(wú)線設(shè)計(jì)中，發(fā)射器可能離音頻電路僅僅數(shù)英寸。這樣，如果設(shè)計(jì)人員未考慮天線的位置，設(shè)計(jì)就可能產(chǎn)生很多問(wèn)題。常規(guī)的附加物，如增加屏蔽，對(duì)現(xiàn)今極其緊湊的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)可能不合適。在微型便攜式無(wú)線產(chǎn)品中使射頻干擾(RFI)最小化，一個(gè)重要考慮因素就是天線與設(shè)計(jì)的音頻電路的相對(duì)位置。
近年來(lái)，便攜式無(wú)線收發(fā)器在很多應(yīng)用中迅猛增加，這些應(yīng)用包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻信號(hào)的發(fā)送及接收。無(wú)線設(shè)備的關(guān)鍵要求之一就是電子線路必須在其它高頻無(wú)線發(fā)射器(如藍(lán)牙設(shè)備)附近工作。以前的干擾研究是將任何源都看作遠(yuǎn)場(chǎng)，并且重點(diǎn)放在同軸電纜和印刷電路板(PCB)上的金屬化走線上耦合的干擾。然而，卻忽略了由封裝引線支架和鍵合線耦合的干擾，未對(duì)其進(jìn)行研究。
在很多便攜式無(wú)線設(shè)計(jì)中，發(fā)射器可能離音頻電路僅僅數(shù)英寸。這樣，如果設(shè)計(jì)人員未考慮天線的位置，設(shè)計(jì)就可能產(chǎn)生很多問(wèn)題。常規(guī)的附加物，如增加屏蔽，對(duì)現(xiàn)今極其緊湊的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)可能不合適。
輻射干擾可分為遠(yuǎn)場(chǎng)干擾和近場(chǎng)干擾。遠(yuǎn)場(chǎng)干擾定義為來(lái)自距離超過(guò)所關(guān)注頻率約10個(gè)波長(zhǎng)處。以2.4GHz的藍(lán)牙頻率為例，10個(gè)波長(zhǎng)等于125mm (即4.1英尺)。
為了與早期研究一致，將遠(yuǎn)場(chǎng)輻射看作傳導(dǎo)干擾，而將近場(chǎng)輻射看作近場(chǎng)干擾。傳導(dǎo)干擾是由同軸電纜、PCB走線和外部元件耦合的遠(yuǎn)場(chǎng)源調(diào)制RF信號(hào)的能量。此能量被傳導(dǎo)至便攜式設(shè)備的音頻放大器輸入引腳。近場(chǎng)干擾等于來(lái)自近場(chǎng)源的傳導(dǎo)干擾，以及因距無(wú)線產(chǎn)品天線很近而被音頻放大器封裝的引線支架和鍵合線耦合的干擾的和。為減輕接收電路中RFI的影響，早期對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的研究為設(shè)計(jì)人員得出了多條基本經(jīng)驗(yàn)法則。為評(píng)估RFI影響，這些研究是將調(diào)制好的RF信號(hào)直接引入同軸電纜(圖 1)。通過(guò)這些研究，建立了多種減少RFI的預(yù)防措施。本文將對(duì)某些早期研究和基于反饋電阻、RFI電容和精心設(shè)計(jì)輸入級(jí)配置的遠(yuǎn)場(chǎng)RFI方案與現(xiàn)代緊湊型無(wú)線產(chǎn)品遭受的典型近場(chǎng)條件進(jìn)行比較。
為使RF干擾對(duì)無(wú)線收發(fā)器的影響最小，首先要了解以調(diào)制RF信號(hào)形式出現(xiàn)的干擾是如何產(chǎn)生通向頻率低得多的音頻放大器及其支持電路的路徑。圖2給出的概念模型圖說(shuō)明了載波頻譜是如何偏移調(diào)制RF載波，產(chǎn)生調(diào)制低頻干擾信號(hào)。這個(gè)過(guò)程從調(diào)幅(AM) RF信號(hào)通過(guò)音頻放大器輸入信號(hào)引腳開(kāi)始。放大器的低帶寬濾波器篩選出RF載波，在音頻放大器輸出端產(chǎn)生解調(diào)信號(hào)。圖3是一種IC附近存在高頻源情況下的行為模型和等效電路，此模型給出了音頻放大器輸入的傳導(dǎo)路徑和近場(chǎng)路徑。
根據(jù)基本的天線理論可知，長(zhǎng)度不到載波波長(zhǎng)1/4的電路走線就能形成此頻率信號(hào)下的有效天線。對(duì)于藍(lán)牙設(shè)備的2.4GHz載波信號(hào)，31.25mm (即1.2 英寸)的PCB走線即可構(gòu)成高效的天線。評(píng)估板上的外部元件，如電容和電阻也是非常好的RF信號(hào)接收天線。
因此，干擾信號(hào)有很多路徑進(jìn)入無(wú)線產(chǎn)品的音頻放大器電路，也就可以理解在防止這些干擾方面還有大量的試驗(yàn)研究工作要做。關(guān)于遠(yuǎn)場(chǎng)天線的傳導(dǎo)干擾及對(duì)電路運(yùn)放解調(diào)的RF的影響，已經(jīng)有多篇文章發(fā)表。再次強(qiáng)調(diào)，這些實(shí)驗(yàn)將RF調(diào)制信號(hào)直接引入放大器的輸入引腳。
這些早期研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
1.增加串聯(lián)電阻和寄生電容，輸入電阻和反饋電阻值的增大可改善反相運(yùn)放電路的抗射頻干擾能力。這種電阻-電容(RC) 組合構(gòu)成一低通濾波器，防止RFI到達(dá)音頻放大器輸入端。
2. 寄生電容Cin(反相與同相輸入間)和CRg(電阻Rg分流)使反相運(yùn)放電路的抗射頻干擾能力比同相運(yùn)放電路的更好。
3. 認(rèn)為金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)場(chǎng)效應(yīng)管(FET)比雙極型晶體管更不易受射頻干擾影響，因RF信號(hào)感應(yīng)使集電極電流的變化比因MOS管漏極電流感應(yīng)而使集電極電流的變化要大。實(shí)際上，F(xiàn)ET本質(zhì)上比雙極型晶體管更不易受射頻干擾，這是因?yàn)槠浞蔷�性更平滑。
4.此外，大多數(shù)音頻運(yùn)放都采用幾何尺寸大、電壓較高的CMOS工藝制作，其RF帶寬比電壓相當(dāng)?shù)碾p極型工藝的RF帶寬窄得多。
以往這些研究證明，反饋電阻值更高，RFI電容的增加以及使用固有的更線性的MOSFET 輸入器件都降低了射頻干擾。但是還應(yīng)該在近場(chǎng)條件下評(píng)估這些結(jié)果，以確定對(duì)附近存在很多不同電路分支的現(xiàn)代無(wú)線設(shè)計(jì)的有效性，包括天線。
圖 4給出了一款研究天線布放處的近場(chǎng)干擾的評(píng)估板。如何用大多數(shù)高頻模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備組成測(cè)試平臺(tái)，詳細(xì)情況請(qǐng)參看Intersil公司的應(yīng)用筆記AN1299(http://www.intersil.com/data/an/AN1299.pdf)。測(cè)試平臺(tái)產(chǎn)生1kHz調(diào)制的掃描頻率RF信號(hào)，用1kHz調(diào)制信號(hào)跟蹤RF輸入源和到音頻放大器輸出的信號(hào)路徑。
天線端接一50Ω電阻，將天線環(huán)末端彎曲，寬度約等于集成電路(IC)封裝的寬度。圖 5給出了天線的布放和外部元件的對(duì)稱布局，圖 6以圖表形式示出了近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)條件。雙SL28291音頻放大器的兩個(gè)放大器(通道)的差分增益配置為10，使兩輸入端的阻抗相等。通道“A”的電阻5kΩ/500Ω，通道”B”的電阻為500kΩ/50kΩ，電阻值高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
在掃描頻率為100 kHz～6 GHz范圍測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明干擾集中在1.4～2.8GHz范圍和3.8～5GHz范圍(圖7)。頻率掃描期間天線的位置如圖7右下方所示。注意，初始掃描時(shí)天線直接在部件封裝上方。在上述干擾集中區(qū)采用單個(gè)載波頻率進(jìn)行下列測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：
1.高反饋電阻值比低反饋電阻值更能降低干擾。將天線直接布放在高值電阻上方產(chǎn)生的干擾比布放在低值電阻上方產(chǎn)生的干擾水平低。頻率越高，干擾水平越低。這一觀察結(jié)果與Ghadamabadi以前報(bào)道的結(jié)果一致。對(duì)這兩組電阻值，將天線布放在IC上方產(chǎn)生的干擾最小。
2.加RFI電容可能弊大于利。將天線直接布放在高值電阻上方產(chǎn)生的干擾比布放在低值電阻上方產(chǎn)生的干擾水平低�？梢钥闯�: 頻率越高，干擾水平越低。這一觀察結(jié)果與Ghadamabadi以前報(bào)道的結(jié)果一致。不過(guò)，將天線直接布放在IC封裝上方在兩個(gè)放大器的輸出端產(chǎn)生的干擾要高得多，與電阻值無(wú)關(guān)。圖 6給出了遠(yuǎn)場(chǎng)天線和近場(chǎng)天線的信號(hào)路徑。在遠(yuǎn)場(chǎng)天線條件下，電纜的串聯(lián)電阻、PCB走線和外部元件形成一低通濾波器和RFI電容。此時(shí)，增加RFI電容的這一經(jīng)驗(yàn)法則對(duì)于RF信號(hào)進(jìn)入放大器前消除它是有效的。對(duì)于近場(chǎng)天線，低通濾波器阻抗非常小或者沒(méi)有， RFI電容實(shí)際上在放大器輸出端得到更高的阻抗。
3. MOSFET輸入放大器比雙極型晶體管更不易受RFI影響。
將天線直接布放在模塊或電阻上方表明MOSFET輸入比雙極型輸入放大器的干擾小得多。這一結(jié)論與Fiori以前報(bào)道的結(jié)果一致。
總之，用增加RFI電容來(lái)控制干擾的老經(jīng)驗(yàn)法則實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致與天線布放位置有關(guān)的干擾的增加。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在使用RFI電容作為可能的RFI解決方案前，就應(yīng)該考慮到無(wú)線產(chǎn)品設(shè)計(jì)中天線的位置。高值反饋電阻和MOSFET輸入放大器的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法則，對(duì)改善近場(chǎng)條件下電路的抗射頻干擾能力仍然有效。 |
