引言
RF 抑制亦即 RF 敏感度，它已成為手機(jī)、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(jì)要素。藍(lán)牙技術(shù)正逐漸作為中耳機(jī)和話筒的無(wú)線串行電纜替代方案應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備中。采用 IEEE 802.11b/g 協(xié)議的無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)也已成為個(gè)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(huì)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(duì)電子電路 RF 敏感度和 RF 對(duì)整體系統(tǒng)完整性影響的關(guān)注。音頻放大器即是一個(gè)對(duì) RF 敏感的系統(tǒng)模塊。
音頻放大器會(huì)對(duì) RF 載波進(jìn)行解調(diào)，并在其輸出端再生出調(diào)制信號(hào)及其諧波成分。某些頻率會(huì)落入音頻基帶的范圍，從而在系統(tǒng)的揚(yáng)聲器輸出端產(chǎn)生用戶不希望聽(tīng)見(jiàn)的“嗡嗡”聲。為了避免此問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(lái)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(lái)源。如果所選的音頻放大器有評(píng)估板，則可利用評(píng)估板檢查各引腳的 RF 敏感度。選擇一個(gè)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(zhǎng)度為 1.2 英寸(2.4GHz RF 信號(hào)的四分之一波長(zhǎng))的天線在 2.4GHz 頻率時(shí)效率很高。
l = c/(4*f)
其中 l = 長(zhǎng)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(gè)引腳上，測(cè)量(見(jiàn)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(gè)引腳上，重復(fù) RF 測(cè)量過(guò)程。請(qǐng)確保每次測(cè)試的條件均保持一致。用這種方法繼續(xù)測(cè)量，直至 1.2 英寸引線接到放大器的每個(gè)引腳，并且記錄下在感興趣頻率下的 RF 測(cè)量結(jié)果。最后，引腳不連接天線的情況下，測(cè)量 IC 的 RF 抑制能力。
最后一次測(cè)試為我們提供了一個(gè)放大器性能的基準(zhǔn)。將該測(cè)試結(jié)果與先前的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，可以得出對(duì) RF 解調(diào)信號(hào)最為敏感的放大器引腳。利用這些數(shù)據(jù)，我們可以對(duì) PCB 的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，減少被耦合到放大器引腳的 RF 噪聲。
MAX9750 實(shí)例分析：工程評(píng)估結(jié)果表明 MAX9750 IC 中 RF 敏感度最高的九個(gè)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(jì)是縮短從 BIAS 引腳至去耦電容之間的引線長(zhǎng)度。 如果在優(yōu)化引線長(zhǎng)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(gè)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(qǐng)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(huì)隨著頻率的提升而下降(XC = 1/[2π x f x C])。但是，實(shí)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(kāi)始上升。當(dāng)頻率大于 fo 時(shí)，則電感分量開(kāi)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(shí)，則此種特性將會(huì)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(shí)電容的自諧振特性就可以派上用場(chǎng)了。
MAX9750 實(shí)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(zhǎng)度小于系統(tǒng)的 RF 信號(hào)波長(zhǎng)的 1/4。安靜的地層同時(shí)也會(huì)減少耦合到輸入引腳的 RF 噪聲。應(yīng)在 IC 的各個(gè)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(hào)的隔離。
MAX9750 實(shí)例分析：將輸入引線長(zhǎng)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(yáng)聲器放大器的 RF 抑制能力測(cè)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(hào)強(qiáng)度、電纜長(zhǎng)度及揚(yáng)聲器類型等一些外部因素也會(huì)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(lái)源，則無(wú)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(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整性。如果能夠找到問(wèn)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(hào)波長(zhǎng)的 1/4。如果需要提高 RF 抑制能力，可以采用一個(gè)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(shí)，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(cè)試結(jié)果，我們需要將被測(cè)件(DUT)置于一個(gè)已知強(qiáng)度的 RF 場(chǎng)中。Maxim 已開(kāi)發(fā)了一套測(cè)試方法：利用一個(gè) RF 屏蔽試驗(yàn)室、一個(gè)信號(hào)發(fā)生器、RF 放大器以及一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)儀來(lái)測(cè)量 RF 敏感度以得到可靠的可重復(fù)測(cè)試結(jié)果。
圖 A. RF 噪聲抑制能力測(cè)量電路
上面的圖 A 是典型的運(yùn)算放大器測(cè)試裝置(op-amp)。 放大器的同相輸入通過(guò) 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(duì)多個(gè) 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(yàn)室內(nèi)。Maxim 的 RF 屏蔽試驗(yàn)系統(tǒng)模擬出一個(gè) RF 環(huán)境，在放大器的輸出端對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
圖 B. Maxim 的 RF 抑制測(cè)試方法
圖 B 顯示了 Maxim 的 RF 屏蔽試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)模擬出 RF 抑制試驗(yàn)所需的 RF 場(chǎng)環(huán)境。 測(cè)試腔體與法拉第腔的屏蔽室類似，將被測(cè)件與外部電場(chǎng)隔離起來(lái)。
完整的測(cè)試系統(tǒng)包含以下設(shè)備：
信號(hào)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(jì)：25MHz 至 1GHz (Rhode&Schwarz)
平行線單元(屏蔽腔)
場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)儀
計(jì)算機(jī)(PC)
Fluke 數(shù)字萬(wàn)用表(dBV 表)
利用計(jì)算機(jī)設(shè)置信號(hào)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(hào)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(guò)定向耦合器和功率計(jì)測(cè)量并監(jiān)視放大器的輸出。所定義的 RF 場(chǎng)在測(cè)試室內(nèi)均勻輻射。
測(cè)試時(shí)，Maxim 將被測(cè)器件置于屏蔽室的中心。場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)儀對(duì)被測(cè)件所處的 50V/m 均勻場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。所采用的信號(hào)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(guò)測(cè)試室的接入端口為被測(cè)件供電，并通過(guò)接入端口連接輸出監(jiān)測(cè)裝置。利用 Fluke 萬(wàn)用表(單位使用 dBV)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)解調(diào)的 1kHz 信號(hào)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(shí)，對(duì) Fluke 萬(wàn)用表的報(bào)告結(jié)果進(jìn)行記錄。圖 C 是 100MHz 至 3GHz 掃頻的測(cè)試結(jié)果。
圖 C. MAX9750 RF 抑制測(cè)試結(jié)果
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