|
1 噪聲和TDMA噪聲 “噪聲”通常廣泛用于描述那些會(huì )使所需信號的純凈度產(chǎn)生失真的多余的電氣信號。一些類(lèi)型的噪聲是無(wú)法避免的(例如被測信號幅值上的實(shí)際波動(dòng))，只能通過(guò)信號平均化和帶寬收縮技術(shù)來(lái)克服這類(lèi)噪聲。另一種類(lèi)型的噪聲(例如，射頻干擾和“接地回路”)能夠通過(guò)不同的技術(shù)來(lái)降低或者消除，包括濾波技術(shù)和仔細的接線(xiàn)設置以及器件位置擺放。最后，有一種噪聲，它起因于信號放大過(guò)程并能夠通過(guò)低噪聲放大器設計技術(shù)來(lái)削弱。盡管降低噪聲的技術(shù)是有效的，但總是希望從可免于噪聲干擾,并具有盡可能低的放大器噪聲的系統開(kāi)始使用降噪技術(shù)。下面介紹的是影響電子電路的各種類(lèi)型噪聲的簡(jiǎn)單總結。 熱噪聲(或者Johnson噪聲或者白噪聲)與電阻中電子的熱擾動(dòng)而體現出的溫度直接相關(guān)。在揚聲器或者麥克風(fēng)的例子中，噪聲源是空氣分子的熱運動(dòng)。 散粒噪聲是由于從表面發(fā)射或者從結點(diǎn)擴散的大量帶電載流子隨機的波動(dòng)而造成的。該噪聲總是與直流電流相關(guān)聯(lián)，而與溫度無(wú)關(guān)，它主要存在于雙極性晶體管中。 閃爍噪聲(或者是1/f噪聲或粉紅噪聲)主要是由于硅表面玷污和晶格缺陷相關(guān)的陷阱造成的。這些陷阱隨機地捕獲和釋放載流子，并具有與工藝相關(guān)的時(shí)間常數, 產(chǎn)生了在能量聚集在低頻率處的噪聲信號。 炒爆噪聲(爆米花噪聲)的產(chǎn)生是因為重金屬離子玷污的存在，在一些集成電路和分離電阻中都會(huì )發(fā)現此類(lèi)噪聲。在一些雙極性集成電路中，炒爆噪聲是由于發(fā)射區的太多摻雜而造成的。降低摻雜水平有可能完全消除炒爆噪聲。這是另一種類(lèi)型的低頻噪聲。 雪崩噪聲是pn結中的齊納現象或者雪崩擊穿現象產(chǎn)生的一種噪聲類(lèi)型。在雪崩擊穿發(fā)生時(shí)，反偏pn結耗盡層中的空穴和電子通過(guò)與硅原子的碰撞以獲得足夠的能量來(lái)產(chǎn)生空穴-電子對。 TDMA噪聲(“哼聲”)源于GSM蜂窩電話(huà)中產(chǎn)生的217Hz的頻率波形，當它耦合至音頻路徑和傳到揚聲器、聽(tīng)筒或者麥克風(fēng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲。下文會(huì )給出關(guān)于此類(lèi)噪聲的詳細描述。 本應用指南將會(huì )明確說(shuō)明客戶(hù)在GSM蜂窩電話(huà)設計過(guò)程中驅動(dòng)單通道揚聲器時(shí)所遇到的TDMA噪聲難題。在深入研究如何將該噪聲最小化時(shí)，將會(huì )回顧一下橋接負載(BTL)單通道放大器工作的背景說(shuō)明。在下面應用圖示中，所有的電阻都具有相等的R值(圖1)。 圖1. 橋接負載的單通道放大器 在該結構(圖1)中，一個(gè)輸入信號VIN加到放大器A1的反相輸入端并通過(guò)增益為0dB的放大。A1的輸出連接到揚聲器的一側和放大器A2的反相輸入端，同樣經(jīng)過(guò)0dB增益放大。A2的輸出連接到揚聲器的另一端。因為A2的輸出同A1的輸出是180度反相的，A1和A2之間的最終差值VOUT，是單個(gè)放大器輸出幅值的兩倍。當給定正弦輸入信號, 比較單端放大器，該BTL結構有效地加倍輸出電壓，使得在相同負載下輸出功率增加為原來(lái)的四倍(圖2)。 圖2 橋接負載的輸出電壓 正如GSM蜂窩電話(huà)制造商所發(fā)現的，BTL單通道結構容易受到射頻信號的干擾(RFI)。這種干擾信號直接耦合到音頻路徑，使期望波形產(chǎn)生失真，聽(tīng)起來(lái)是一種“哼聲”，被稱(chēng)之為T(mén)DMA噪聲。GSM蜂窩電話(huà)使用TDMA(時(shí)分多址)時(shí)隙分享技術(shù)產(chǎn)生從800MHz至900MHz或者1800MHz至1900MHz的高功率RF信號。傳輸電流可以超過(guò)1A，在通話(huà)期間的脈沖重復速率為217Hz，脈沖寬度大約為0.5ms。如果電流脈沖耦合至音頻電路中，大量的217Hz諧波信號會(huì )產(chǎn)生聽(tīng)到的“哼聲”。 是什么造成可聽(tīng)到的“哼聲”?在音頻范圍內的能量，包含217Hz的TDMA重復脈沖速率和它的諧波，在聲道中以?xún)煞N方式存在：在直流電源中的電流變化, 和在RF信號的調制包絡(luò )。來(lái)自RF功率放大器在傳輸間隙吸取的大電流和RF電路在接收間隙吸取的較小電流形成了直流電源電流脈沖波形(圖3)。 圖3 周期性的傳輸和接收電流脈沖波形 耦合電流波形至音頻電路的兩個(gè)主要的產(chǎn)生機理是電源紋波電流和接地線(xiàn)紋波電流，它們都是以217Hz的頻率存在。另外，發(fā)射RF能量的一部分也會(huì )耦合到音頻電路中。 圖4 RF能量耦合到音頻電路中 當存在長(cháng)的走線(xiàn)連接放大器輸出至喇叭時(shí)，潛在的RF能量耦合到音頻電路的事件最有可能發(fā)生，此時(shí)走線(xiàn)類(lèi)似于天線(xiàn)的作用。好的布局應該能防止RF能量耦合至音頻和電源走線(xiàn)，在電話(huà)中這些走線(xiàn)連接基帶部分或者音頻電路。這些子系統的設計必須能夠阻止或者對地旁路RF信號, 使得該信號不會(huì )傳至半導體有源音頻器件的結點(diǎn)。能夠通過(guò)不同的路徑將RF能量從RF電路傳至音頻電路中：
預防方法包括屏蔽、地線(xiàn)設計和仔細的整體布局實(shí)踐。一些預防方法如下：
不要將攜帶電源或者音頻信號的布線(xiàn)與那些包含RF信號或大動(dòng)態(tài)電源電流的走線(xiàn)平行放置。使敏感走線(xiàn)和潛在干擾源的間距最大。 對于必須保持垂直或(90")的走線(xiàn)設計，要將噪聲耦合降到最低。 通過(guò)一個(gè)包含足夠通孔的地線(xiàn)形成法拉第屏蔽來(lái)將內層的音頻走線(xiàn)與非音頻走線(xiàn)隔離。 不要將包含RF信號或者動(dòng)態(tài)直流電流的走線(xiàn)直接放置在音頻器件的下面。 將音頻反饋和信號路徑器件盡可能靠近音頻放大器放置，將器件與RF能量源隔離開(kāi)來(lái)。 盡管努力做了很多預防措施，但是仍然會(huì )有一些RF能量會(huì )耦合到音頻走線(xiàn)上。還利用對地旁路電容形成的單極點(diǎn)低通濾波器進(jìn)一步衰減傳導至音頻放大器半導體結點(diǎn)的RF能量。必須使用小容量的電容對RF能量進(jìn)行旁路，這樣才不會(huì )影響音頻信號。因為GSM蜂窩電話(huà)的頻帶范圍大約在900MHz至1800MHz之間，最佳電容的選取自然是上述頻率中能夠產(chǎn)生諧振的;10pF至39pF的典型電容值對音頻信號的影響可忽略。在每個(gè)音頻放大器輸入端、輸出端或者對RF能量敏感的電源引腳處，應該使用各自不同的電容對產(chǎn)生的RF能量進(jìn)行旁路。如果需要進(jìn)一步的隔離，應增加一個(gè)電感(或者鐵氧體磁珠;鐵氧體磁珠是電感和電阻的組合)來(lái)形成一個(gè)兩極點(diǎn)低通濾波器，器件放置的物理位置4要盡可能的靠近放大器輸出端。圖5所示為L(cháng)M4845單通道輸出的實(shí)際應用�？蛻�(hù)通過(guò)實(shí)現-3dB截止頻率為1MHz的兩極點(diǎn)低通濾波器，可以體驗單通道喇叭的音頻蜂音，其遠超出了音頻范圍而又遠低于GSM頻率的頻帶范圍。音頻蜂音被衰減了30dB，屬于聽(tīng)力可接收水平。 圖5 隔離放大器輸出的外置兩極點(diǎn)低通濾波器 雖然GSM蜂窩電話(huà)制造商在使用LM4845時(shí)會(huì )遇到TDMA噪聲的難題，其他的客戶(hù)則不會(huì )。在尋找并處理客戶(hù)電路的故障之后，可以確定較差的器件布局和較差的電路布線(xiàn)是產(chǎn)生音頻蜂音的主要原因。為了幫助系統設計師將噪聲敏感度降到最低，重新設計LM4845為差分的單端輸入電路，放大器輸出端是專(zhuān)有的RF抑制電路。這款改進(jìn)的器件就是LM4946。圖6所示為L(cháng)M4845和LM4946在相同情況下的比較。如果沒(méi)有RF抑制電路，通過(guò)217Hz的 TDMA脈沖在RF調制包絡(luò )上的重復攜載，RF能量可以傳播到LM4845并耦合到音頻路徑中。盡管LM4946中存在同樣的217Hz TDMA重復脈沖，RF抑制電路可以將RF能量的衰減從20dB增大至到30dB。圖6也給出了在LM4946中得到充分衰減的調制包絡(luò )。 圖6 測量得到的TDMA噪聲 當前，只有LM4884和LM4946包含了專(zhuān)有的RF抑制電路，應用該技術(shù)的更先進(jìn)的其他產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)之中。 2 結語(yǔ) 正如一句古老的諺語(yǔ)所說(shuō)的,“預防勝于治療”;我們可以將同樣的哲理應用到GSM蜂窩電話(huà)的設計之中，在設計完之后再?lài)L試去抑制TDMA噪聲的成本比較昂貴、耗費大量時(shí)間還達不到所想要的效果，所以好的預防技術(shù)應該出現在實(shí)際的電路布局之前;器件定位，電源走線(xiàn)位置，地線(xiàn)位置，屏蔽和很多先前列出的預防技術(shù)。LM4946、LM4884以及具有RF抑制技術(shù)的未來(lái)產(chǎn)品能夠充分地將TDMA噪聲降到最低，目前仍沒(méi)有單獨的解決方案可以防止TDMA噪聲的產(chǎn)生。 注意：在本應用指南中，術(shù)語(yǔ)“TDMA噪聲”，“RF能量”，“音頻蜂音”和“哼聲”可以交替使用。 |
