降低手機的“嗡嗡”噪聲

2004年8月A版

　　手機、PDA和其它便攜式通信設備常常在條件惡劣而且噪聲相當大的環(huán)境下工作。這推動(dòng)了新式音頻功率放大器 (PA) 的發(fā)展，這些 PA 提供了全差動(dòng)的架構，實(shí)現了良好的射頻 (RF)、共模以及電源紋波抑制。本文將討論單端架構、典型橋接負載以及全差動(dòng)的音頻放大器，此外還將探討噪聲對電源和 RF 校正的影響。

單端 (SE) 音頻功放

　　業(yè)界使用三種主要類(lèi)型的音頻功放架構：?jiǎn)味?、典型的橋接負載以及全差動(dòng)的放大器。單端 (SE) 音頻功放一般是所有架構中最簡(jiǎn)單的一種。不過(guò)，在手機中我們一般不用其驅動(dòng)酷炫鈴聲或免提操作模式等應用的揚聲器。SE 放大器一般都用于驅動(dòng)耳機，用于欣賞 MP3格式的音樂(lè )或游戲音頻(圖 1)。

　　在典型的單電源單端配置中，需要用一個(gè)輸出耦合電容器 (COUT) 阻止放大器輸出處的 DC 偏置，這就避免了負載中的 DC 電流。輸出耦合電容器和負載阻抗形成高通濾波器，它由以下方程式?jīng)Q定：

其中的 RL代表?yè)P聲器阻抗。

　　從性能的角度看，主要的弱點(diǎn)在于典型的小負載阻抗(這里是 4W~8W的揚聲器)將驅動(dòng)低頻轉角頻率 (FC) 升高。因此需要較大值的 COUT 將低頻傳送到揚聲器中。我們不妨設想這樣一種情況，假設揚聲器負載為 8W，如使用68mF的 COUT，則所有低于 292Hz 的頻率將衰減。

　　為了用單端放大器取消輸出電容器(COUT)，我們需要分離(split)電源軌。該解決方案對無(wú)線(xiàn)環(huán)境不太合適。這要求手機設計人員為負軌添加DC-DC轉換器，這就提高了該解決方案的成本以及大小。此外，SE 放大器打開(kāi)、關(guān)閉、進(jìn)入關(guān)機狀態(tài)或從關(guān)機狀態(tài)恢復時(shí)總會(huì )發(fā)出“噗噗”聲。當揚聲器的電壓發(fā)生一定(電壓脈沖)變化時(shí)，這種不良噪聲就會(huì )出現。這與上升時(shí)間、下降時(shí)間以及電壓脈沖寬度有關(guān)。

　　大多數人對20Hz~20kHz的聲音有反應。因此，如果脈沖長(cháng)度低于 50ms，那么耳朵就不會(huì )有反應。此時(shí)頻率將大于20kHz，也就不會(huì )聽(tīng)到“噗噗”聲。如果脈沖的上升時(shí)間多于50ms，此時(shí)的頻率將低于20Hz，耳朵也聽(tīng)不到“噗噗”聲。如果脈沖寬度大于20ms，就會(huì )聽(tīng)到這出了名的“噗噗”聲，這時(shí)脈沖的上升時(shí)間不到 50ms。由于單端放大器只有立即關(guān)閉才能產(chǎn)生脈沖，因此放大器的斜波上升必須大于 50ms。該速度對大多數智能電話(huà)應用來(lái)說(shuō)太慢了。

　　在單端單電源情況下，“噗噗”聲也會(huì )出現，因為輸出 DC 阻礙電容器保存電荷。當放大器輸出處發(fā)生變化時(shí)，其電壓以及電容器上的原有電壓都會(huì )加到揚聲器上，結果就會(huì )發(fā)出“噗噗”聲。

　　最后，當談到音頻放大器時(shí)，向負載供電是關(guān)鍵問(wèn)題。在單電源情況下使用 SE 放大器時(shí)，揚聲器的一端通過(guò)輸出電容器連接于放大器的輸出；另一端接地。這樣，揚聲器上的電勢只能在VDD與接地之間。我們可用以下方程式計算到負載的輸出功率：

　　最大峰至峰輸出電壓是電源電壓。我們假定正弦波輸出，則最大 RMS 輸出電壓為：

　　最大理論輸出功率為：

　　稍后我們將說(shuō)明從相同的電源和負載阻抗，橋接式負載 (BTL) 和全差動(dòng)放大器可輸出的功率為SE 放大器的四倍。

橋接式負載 (BTL)

　　目前的手機和便攜式通信設備均采用一般類(lèi)型的音頻放大器架構：BTL 輸出配置的單端輸入(圖 2)。BTL 放大器包括兩個(gè)單端放大器，驅動(dòng)負載的兩端。第一個(gè)放大器 (A) 設置增益，而第二個(gè)放大器 (B) 則作為單位增益逆變器。該 BTL 放大器的增益由下式確定：

　　由于單位增益反相放大器 (B) 的緣故，增益翻番。這種差動(dòng)驅動(dòng)配置的主要好處之一就在于到負載的功率。有了到揚聲器的差動(dòng)驅動(dòng)，一側下降時(shí)另一側就會(huì )上升，反之亦然。與參考接地的負載相比，這種特性能有效地使負載電壓擺幅翻番。由于負載上的電壓擺幅有效翻番，因此輸出功率方程式變?yōu)椋?/P>

　　BTL 的最大理論輸出功率為：

　　與單電源單端音頻功率放大器相比，揚聲器上電壓的翻番使得相同電源軌與負載阻抗的輸出功率翻了兩番。

　　還有一點(diǎn)需要考慮的就是旁路電容 (CBYPASS)。該電容是電路中最關(guān)鍵的元件。首先，CBYPASS決定著(zhù)放大器啟動(dòng)的速度。如果放大器斜波上升較慢，就可減小“噗噗”的噪聲。CBYPASS與高阻抗電阻分壓器網(wǎng)絡(luò )生成中間軌 (mid-rail)，形成了 RC 時(shí)間常數。正如我們前面提到的那樣，如果時(shí)間常數大于 50ms，就聽(tīng)不到“噗噗”聲。

　　CBYPASS的第二個(gè)功能就是降低電源生成的噪聲。由于輸出驅動(dòng)信號的耦合，因此產(chǎn)生該噪聲，它來(lái)自放大器內部的中間軌生成電路。該噪聲作為降低的電源抑制比 (PSRR) 出現。在電源噪聲較大的系統中，它可能會(huì )影響 THD+N。

　　與 SE 音頻放大器相比，這種架構的優(yōu)勢在于相同電源軌實(shí)現的輸出功率量。此外，還可去掉輸出 DC 阻塞電容器?？偠灾?，揚聲器兩側均偏置在 VDD/2 左右，這就消除了 DC 偏移?，F在，低頻性能只受限于輸入網(wǎng)絡(luò )和揚聲器響應。

　　但是，這種類(lèi)型的配置也有明顯的不足。如果任何噪聲耦合進(jìn)單端輸入，則將會(huì )出現在輸出中，并被放大器增益放大。由于放大器 B 沒(méi)有至輸入的反饋，因此任何耦合至輸出的高頻噪聲還會(huì )產(chǎn)生“咔咔”或“嗡嗡”聲。這種現象稱(chēng)作 RF 校正。

全差動(dòng)的放大器

　　目前許多手機、PDA、智能電話(huà)和新式無(wú)線(xiàn)設備都在用一種新型的音頻功率放大器架構，這就是圖 3 所示的全差動(dòng)音頻放大器。全差動(dòng)放大器增益由下式確定：

　　全差動(dòng)放大器具有差動(dòng)的輸入與輸出。這些 PA 包括差動(dòng)與共模反饋。差動(dòng)反饋保證放大器輸出差動(dòng)電壓，其等于差動(dòng)輸入乘以增益。外部增益設置電阻器作為反饋環(huán)路。

　　不管輸入的共模電壓為多少，共模反饋保證輸出的共模電壓偏置為 VDD/2 左右。該反饋是器件內在固有的。它用分壓器和電容器產(chǎn)生了穩定的中間電源電壓。為了確保一個(gè)輸出不會(huì )先于另一個(gè)輸出削減 (clip)，輸出偏置為 VDD/2。

　　全差動(dòng)放大器除了有BTL放大器相對于SE放大器所具有的全部?jì)?yōu)勢外，相對于典型的BTL放大器它還有三大優(yōu)勢。首先，不再需要輸入耦合電容器。使用全差動(dòng)放大器時(shí)，輸入除了可偏置為中間電源外還可偏置為電壓。所用的放大器必須具有良好的共模抑制比(CMRR)。對TI公司 TPA6203A1與TPA2010D1而言，放大器的輸入可偏置為0.5V至VDD-0.8V。但如果輸入偏置到輸入共模范圍之外，則應采用輸入耦合電容器。

　　第二，不再需要中間電源旁路電容 CBYPASS。中間電源的任何變動(dòng)對正負極產(chǎn)生同樣的影響，因此取消差動(dòng)輸出的旁路電容。取消旁路電容對 PSRR 略有影響，由于取消了額外的外部組件，因此該抑制比也還能接受。全差動(dòng)放大器的最后一大優(yōu)勢就是它提高了 RF 的抗擾性。這一優(yōu)勢主要歸功于良好的 CMRR 以及全差動(dòng)架構。

　　為了得到負載輸出功率，可使用與 BTL 放大器相同的計算方法。該放大器也是全差動(dòng)的。請記住，揚聲器一側上升時(shí)另一側下降，反之亦然。同樣，與參考接地負載相比，這種情況也使負載上的電壓擺幅翻番。BTL 的最大理論輸出功率為：

　　與 BTL 放大器類(lèi)似，揚聲器上電壓的翻番使得相同電源軌和負載阻抗得到的輸出功率翻了兩番。與此前的放大器相比，這種類(lèi)型架構的最大優(yōu)勢就在于噪聲抗擾度。

　　音頻功率放大器的三大噪聲源為：

　　電源電壓的變化通常都會(huì )導致放大器輸出的小錯誤變化。PSRR 為抑制上述影響的能力，一般以分貝為單位。例如，對于 TPA6203A1 全差動(dòng)音頻功率放大器，PSRR 值在 3.6V 電壓上頻率為 217Hz~ 2kHz 時(shí)規定為 -87dB。采用 PSRR 的標準公式，輸出電壓可計算如下：

　　對于電源軌上 500mV的變化，差動(dòng)輸出電壓的變化是 22mV。

　　在 TDMA 和 GSM 手機中，最嚴重的電源電壓噪聲來(lái)自 RF 級的開(kāi)與關(guān)。GSM電話(huà)的開(kāi)關(guān)頻率為 217Hz。當RF功率放大器接通時(shí)，從電源獲得高電流，這時(shí)電源下降高達500mV。PSRR差的音頻放大器將在揚聲器產(chǎn)生大于217Hz的諧波“咔咔”噪聲。

　　為了解頻率為 217Hz 時(shí)電源電壓下降 500mV 產(chǎn)生的影響，我們測試了三個(gè)TI公司的全差動(dòng)音頻功率放大器：3.1W AB 類(lèi) TPA6211A1、1.25W AB 類(lèi) TPA6203A1 和 2.5W D 類(lèi) TPA2010D1。測試 TPA6203A1 和 TPA2010D1 的結果顯示，對于全差動(dòng)放大器的 PSRR，電源軌的變化對輸出信號幾乎沒(méi)有影響。因此，這就不會(huì )造成揚聲器發(fā)出 217Hz 的諧波“咔咔”噪聲。

　　噪聲耦合到單端輸入放大器的輸入時(shí)，主要的問(wèn)題是噪聲會(huì )被閉環(huán)增益放大，因而放大器輸出將出現有害噪聲。這種類(lèi)型的放大器除了在放大器前過(guò)濾輸入信號外，幾乎沒(méi)有抗噪能力。

　　相反，全差動(dòng)放大器在抑制噪聲方面表現很好。放大器只增加輸入間的差異，因此將有效地忽略耦合至差動(dòng)輸入跡線(xiàn)的任何共模干擾。了解這種抗輸入耦合噪聲性能的最好方法就是看看CMRR：

　　為了舉例說(shuō)明 CMRR 如何影響放大器的 AC 噪聲抗擾度，我們不妨采用 TPA6203A1 1.25W 全差動(dòng) AB 類(lèi)放大器。首先，我們用上面的 CMRR 方程式求出輸出電壓：

　　TPA6203A1在頻率為20Hz至 20kHz時(shí)的CMRR為74dB，增益為 1V/V。假定耦合至輸入的共模噪聲為每個(gè)輸入100mV，則傳輸到輸出的噪聲可用以下方程式計算得出：

　　通過(guò)方程式計算，得出差動(dòng)放大器輸出上 20mV 的紋波。對于單端放大器而言，結果將是 100mV 乘以閉環(huán)增益。

　　采用 BTL 輸出配置時(shí)，揚聲器上最常聽(tīng)到的噪聲是 RF 功率放大器在 217Hz 的開(kāi)關(guān)噪聲，通常聽(tīng)到的這種開(kāi)關(guān)噪聲為“咔咔”聲或“嗡嗡”聲。為了了解為什么 BTL 放大器無(wú)法抑制耦合到輸出的噪聲，我們不妨來(lái)看看圖 4。

　　在打開(kāi)狀態(tài)下，射頻功率放大器發(fā)送數據至基站。在實(shí)驗室中，測試人員在音頻放大器 10 mm外手持 GSM 電話(huà)，而后他們查看音頻放大器輸出上獲得的信號。噪聲像是方波門(mén)控的 RF 信號。實(shí)際屏幕截圖見(jiàn)圖 4。

　　考察全帶寬 (>20 MHz)，我們發(fā)現信號在每個(gè)放大器輸出上獲得，不過(guò)這不會(huì )有影響。揚聲器無(wú)法在這么高的頻率上復制信號。不過(guò)，我們再來(lái)看看 BTL 架構帶寬有限 (<20 MHz) 的情況，反相跟隨器 (inverter follower)(BTL 放大器)設法對千兆赫信號作出響應，這使得輸出(OUT-)以門(mén)控方波的速率下降(GSM 為 217Hz)，這種下降又導致了揚聲器發(fā)出“咔咔”或“嗡嗡”的噪聲。

　　在上述測量中，噪聲加到輸出而不是輸入上。在帶寬有限情況下，OUT+ 相對恒定，因為輸入 IN- 沒(méi)有向 OUT+ 注入噪聲。由于 OUT+ 是 OUT- 的輸入，OUT- 有許多紋波。從 OUT+ 到 OUT- 的反相放大器設法對門(mén)控射頻波形作出響應，但只能對低頻作出響應。如果噪聲注入到輸入上，由于 CMRR 差，所以 OUT+ 的噪聲更大。

　　我們在全差動(dòng)放大器的輸出也注入與典型 BTL 放大器相同的噪聲。帶寬有限時(shí)，全差動(dòng)放大器無(wú)噪聲，這是因為差動(dòng)反饋到輸入的緣故?？梢?jiàn)，與典型的 BTL 相比，全差動(dòng)放大器顯然對 RF 噪聲有著(zhù)最好的抗擾度。
 
結語(yǔ)

　　在便攜式無(wú)線(xiàn)通信設備中，音頻功率放大器容易因環(huán)境條件惡劣而出現噪聲。典型的 BTL 音頻功率放大器有一些局限性。如果噪聲耦合到放大器輸入、輸出以及電源，就會(huì )造成“咔咔”和“嗡嗡”的噪聲。與此相比，全差動(dòng)放大器在此環(huán)境條件下表現優(yōu)異。由于全差動(dòng)反饋以及消除 RF 校正影響的功能，它可使手機的“嗡嗡”噪聲最小化。