利用PCB布局技術(shù)實(shí)現(xiàn)音頻放大器RF噪聲抑制

　　PCB布局技術(shù)可用于優(yōu)化音頻放大器IC的RF噪聲抑制能力。在此我們將利用Maxim推出的MAX9750 IC進(jìn)行實(shí)例分析。

　　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(wèi)=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/[2 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 = 2 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?chē)紳M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(lèi)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lRF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(lèi)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 meter)

　　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(lèi)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