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调整PCB布局,如何优化音频放大器RF抑制能力?
文章来源:永阜康科技 更新时间:2021/6/11 14:16:00

引言

RF 抑制亦即 RF 敏感度,它已成为手机、MP3 播放器及笔记本电脑的音频领域中和 PSRR、THD+N 及 SNR 一样重要的设计要素。蓝牙技术正逐渐作为中耳机和话筒的无线串行电缆替代方案应用于移动设备中。采用 IEEE 802.11b/g 协议的无线局域网(WLAN)技术也已成为个人电脑和笔记本电脑的标准配置。GSM、PCS 和 DECT 技术中的 TDMA 多路复用会引入较大的 RF 干扰。当今密集的 RF 环境引发了业界对电子电路 RF 敏感度和 RF 对整体系统完整性影响的关注。音频放大器即是一个对 RF 敏感的系统模块。
 
音频放大器会对 RF 载波进行解调,并在其输出端再生出调制信号及其谐波成分。某些频率会落入音频基带的范围,从而在系统的扬声器输出端产生用户不希望听见的“嗡嗡”声。为了避免此问题,系统设计员必需充分了解所选放大器 IC 的局限性及其相应的 PCB 布局。本文将指导设计人员如何优化音频放大器电路板的 RF 抑制能力。

寻找 RF 噪声的来源

良好的布局(即,较好的 RF 抑制能力)的关键,首先要确认 RF 耦合噪声的来源。如果所选的音频放大器有评估板,则可利用评估板检查各引脚的 RF 敏感度。选择一个所感兴趣的频率,例如 WLAN 应用中的 2.4GHz。根据天线原理,引线长度为 1.2 英寸(2.4GHz RF 信号的四分之一波长)的天线在 2.4GHz 频率时效率很高。 
 
l = c/(4*f)

其中 l = 长度,c = 3X108,f = 频率。
 
截取一段 1.2 英寸的导线并将其直接焊在 IC 的一个引脚上,测量(见附录) IC 在感兴趣的频率(2.4GHz ±10%)的 RF 抑制能力。取下 1.2 英寸引线并将其焊接到放大器的另一个引脚上,重复 RF 测量过程。请确保每次测试的条件均保持一致。用这种方法继续测量,直至 1.2 英寸引线接到放大器的每个引脚,并且记录下在感兴趣频率下的 RF 测量结果。最后,引脚不连接天线的情况下,测量 IC 的 RF 抑制能力。
 
最后一次测试为我们提供了一个放大器性能的基准。将该测试结果与先前的测试结果进行比较,可以得出对 RF 解调信号最为敏感的放大器引脚。利用这些数据,我们可以对 PCB 的设计进行优化,减少被耦合到放大器引脚的 RF 噪声。 
 
MAX9750 实例分析:工程评估结果表明 MAX9750 IC 中 RF 敏感度最高的九个引脚:INL、INR、BIAS、VOL、BEEP、OUTL_ 和 OUTR_。

电容的作用

举所选 IC 的 BIAS 引脚为例。假定 BIAS 引脚在所感兴趣的频率下的 RF 抑制能力较差,则首先最该考虑的 PCB 设计是缩短从 BIAS 引脚至去耦电容之间的引线长度。 如果在优化引线长度后 RF 解调情况还不理想,则考虑在放大器引脚增加一个小的旁路电容(大约 10pF 至 100pF)到地。电容的阻抗特性可在系统最敏感的频率上(在本例中为 2.4GHz)形成陷波滤波器。请参考图 1A 中电容模型(C1)的阻抗特性。 


图 1A. 非理想电容模型 


图 1B. 非理想电容模型,阻抗特性  

如果 C1 为理想电容,则阻抗特性会随着频率的提升而下降(XC = 1/[2π x f x C])。但是,实际应用中并不存在理想电容。非理想电容模型(图 1B)的阻抗在自谐振频率*下陷,然后随着频率开始上升。当频率大于 fo 时,则电感分量开始增加(XL = 2π x f x L)。如果将电容作为滤波器使用,当接近或高于其自谐振频率时,则此种特性将会令滤波效果变差。但是,如果选择电容将特定的高频分量旁路接地,则此时电容的自谐振特性就可以派上用场了。 
 
MAX9750 实例分析:33pF 电容加在 BIAS 针脚上,改善了 RF 抑制能力(平均 3.6dB)。

控制输入引脚的噪声

通常,音频放大器的输入引脚总是 RF 耦合噪声的源头,所以要确保输入引线的长度小于系统的 RF 信号波长的 1/4。安静的地层同时也会减少耦合到输入引脚的 RF 噪声。应在 IC 的各个输入引线周围布满安静的地层。此接地层有助于所选音频放大器的输入引脚与任意高频 RF 信号的隔离。
 
MAX9750 实例分析:将输入引线长度缩短三倍,并在左声道、右声道和 PC-beep 引脚上铺上地层,将进一步改善了 MAX9750 IC 的 RF 抑制能力(图 2)。


图 2. MAX9750C 扬声器放大器的 RF 抑制能力测试结果:噪声基底 = -94.4dBV。

注:图 2 给出了 MAX9750 IC 的典型 RF 抑制能力。天线信号强度、电缆长度及扬声器类型等一些外部因素也会影响 RF 抑制性能。
 
我们也可以采用一些高成本的方法,比如在 RF 敏感度较高的放大器针脚上增加 LC 滤波器或在电路板中增加低 ESR 电容。这些方法效果显著,但成本较高。如果可以确定 RF 噪声的来源,则无需使用高成本解决方案。

总结

RF 抑制能力较差的音频放大器会影响整个系统设计的完整性。如果能够找到问题的根源所在,则可以采取适当的措施以避免音频 RF 解调。通常情况下,输入端、输出端、偏置端和电源端的引线应小于系统 RF 信号波长的 1/4。如果需要提高 RF 抑制能力,可以采用一个小电容将 IC 引脚直接接地(即使该引脚上已连接了大电容),并在易受影响的放大器引脚附近铺上地层。最后,使大功率 RF 系统模块远离易受影响的音频放大器引脚。在采取这些措施之后,将消除“讨厌”的音频解调“嗡嗡”声。
 
* 自谐振时,容性和感性阻抗互相抵消,只留下阻性分量。自谐振频率为: 
 


附录

为获得精确的、具有可重复性的测试结果,我们需要将被测件(DUT)置于一个已知强度的 RF 场中。Maxim 已开发了一套测试方法:利用一个 RF 屏蔽试验室、一个信号发生器、RF 放大器以及一个场强检测仪来测量 RF 敏感度以得到可靠的可重复测试结果。 


图 A. RF 噪声抑制能力测量电路

上面的图 A 是典型的运算放大器测试装置(op-amp)。 放大器的同相输入通过 1.5 英寸环线(模拟 PCB 引线)短路至地。我们选择了标准的 1.5 英寸的输入引线,这样可以对多个 Maxim 的放大器的 RF 抑制能力进行比较(注:DUT 至输入源之间的输入引线在系统敏感频率范围内具有天线效应)。放大器的输出端接有预先设定的负载。然后,放大器被置于屏蔽试验室内。Maxim 的 RF 屏蔽试验系统模拟出一个 RF 环境,在放大器的输出端对解调信号进行监测。 


图 B. Maxim 的 RF 抑制测试方法

图 B 显示了 Maxim 的 RF 屏蔽试验系统,该系统模拟出 RF 抑制试验所需的 RF 场环境。 测试腔体与法拉第腔的屏蔽室类似,将被测件与外部电场隔离起来。
 
完整的测试系统包含以下设备:

信号发生器: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)

功率计:25MHz 至 1GHz (Rhode&Schwarz)

平行线单元(屏蔽腔)

场强检测仪

计算机(PC)

Fluke 数字万用表(dBV 表)

利用计算机设置信号发生器输出的频率范围、调制比和调制类型,以及 RF 功率放大器的功率输出。调制信号被馈送到相应的功率放大器(OPHIR 5124:20MHz 至 1000MHz,20W 或 OPHIR 5173:1GHz 至 3GHz,50W),并通过定向耦合器和功率计测量并监视放大器的输出。所定义的 RF 场在测试室内均匀辐射。 
 
测试时,Maxim 将被测器件置于屏蔽室的中心。场强检测仪对被测件所处的 50V/m 均匀场强进行连续检测。所采用的信号是频率介于 100MHz 和 3GHz 之间变化的 RF 正弦波,与 1kHz 的音频频率进行调制,调制度为 100%。 通过测试室的接入端口为被测件供电,并通过接入端口连接输出监测装置。利用 Fluke 万用表(单位使用 dBV)来实时监测解调的 1kHz 信号幅度。当 RF 正弦波频率按预先的设定在 100MHz 和 3GHz 之间变化的同时,对 Fluke 万用表的报告结果进行记录。图 C 是 100MHz 至 3GHz 扫频的测试结果。


图 C. MAX9750 RF 抑制测试结果



 
 
 
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