如何將天線(xiàn)對(duì)音頻電路的干擾影響減到最小

近年來(lái)，便攜式無(wú)線(xiàn)收發(fā)器在很多應(yīng)用中迅猛增加，這些應(yīng)用包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻信號(hào)的發(fā)送及接收。無(wú)線(xiàn)設(shè)備的關(guān)鍵要求之一就是電子線(xiàn)路必須在其它高頻無(wú)線(xiàn)發(fā)射器(如藍(lán)牙設(shè)備)附近工作。以前的干擾研究是將任何源都看作遠(yuǎn)場(chǎng)，并且重點(diǎn)放在同軸電纜和印刷電路板(PCB)上的金屬化走線(xiàn)上耦合的干擾。然而，卻忽略了由封裝引線(xiàn)支架和鍵合線(xiàn)耦合的干擾，未對(duì)其進(jìn)行研究。

在很多便攜式無(wú)線(xiàn)設(shè)計(jì)中，發(fā)射器可能離音頻電路僅僅數(shù)英寸。這樣，如果設(shè)計(jì)人員未考慮天線(xiàn)的位置，設(shè)計(jì)就可能產(chǎn)生很多問(wèn)題。常規(guī)的附加物，如增加屏蔽，對(duì)現(xiàn)今極其緊湊的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)可能不合適。

輻射干擾可分為遠(yuǎn)場(chǎng)干擾和近場(chǎng)干擾。遠(yuǎn)場(chǎng)干擾定義為來(lái)自距離超過(guò)所關(guān)注頻率約10個(gè)波長(zhǎng)處。以2.4GHz的藍(lán)牙頻率為例，10個(gè)波長(zhǎng)等于125mm (即4.1英尺)。

為了與早期研究一致，將遠(yuǎn)場(chǎng)輻射看作傳導(dǎo)干擾，而將近場(chǎng)輻射看作近場(chǎng)干擾。傳導(dǎo)干擾是由同軸電纜、PCB走線(xiàn)和外部元件耦合的遠(yuǎn)場(chǎng)源調(diào)制RF信號(hào)的能量。此能量被傳導(dǎo)至便攜式設(shè)備的音頻放大器輸入引腳。近場(chǎng)干擾等于來(lái)自近場(chǎng)源的傳導(dǎo)干擾，以及因距無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品天線(xiàn)很近而被音頻放大器封裝的引線(xiàn)支架和鍵合線(xiàn)耦合的干擾的和。為減輕接收電路中RFI的影響，早期對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的研究為設(shè)計(jì)人員得出了多條基本經(jīng)驗(yàn)法則。為評(píng)估RFI影響，這些研究是將調(diào)制好的RF信號(hào)直接引入同軸電纜(圖 1)。通過(guò)這些研究，建立了多種減少RFI的預(yù)防措施。本文將對(duì)某些早期研究和基于反饋電阻、RFI電容和精心設(shè)計(jì)輸入級(jí)配置的遠(yuǎn)場(chǎng)RFI方案與現(xiàn)代緊湊型無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品遭受的典型近場(chǎng)條件進(jìn)行比較。

為使RF干擾對(duì)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的影響最小，首先要了解以調(diào)制RF信號(hào)形式出現(xiàn)的干擾是如何產(chǎn)生通向頻率低得多的音頻放大器及其支持電路的路徑。圖2給出的概念模型圖說(shuō)明了載波頻譜是如何偏移調(diào)制RF載波，產(chǎn)生調(diào)制低頻干擾信號(hào)。這個(gè)過(guò)程從調(diào)幅(AM) RF信號(hào)通過(guò)音頻放大器輸入信號(hào)引腳開(kāi)始。放大器的低帶寬濾波器篩選出RF載波，在音頻放大器輸出端產(chǎn)生解調(diào)信號(hào)。圖3是一種IC附近存在高頻源情況下的行為模型和等效電路，此模型給出了音頻放大器輸入的傳導(dǎo)路徑和近場(chǎng)路徑。

根據(jù)基本的天線(xiàn)理論可知，長(zhǎng)度不到載波波長(zhǎng)1/4的電路走線(xiàn)就能形成此頻率信號(hào)下的有效天線(xiàn)。對(duì)于藍(lán)牙設(shè)備的2.4GHz載波信號(hào)，31.25mm (即1.2 英寸)的PCB走線(xiàn)即可構(gòu)成高效的天線(xiàn)。評(píng)估板上的外部元件，如電容和電阻也是非常好的RF信號(hào)接收天線(xiàn)。

因此，干擾信號(hào)有很多路徑進(jìn)入無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的音頻放大器電路，也就可以理解在防止這些干擾方面還有大量的試驗(yàn)研究工作要做。關(guān)于遠(yuǎn)場(chǎng)天線(xiàn)的傳導(dǎo)干擾及對(duì)電路運(yùn)放解調(diào)的RF的影響，已經(jīng)有多篇文章發(fā)表。再次強(qiáng)調(diào)，這些實(shí)驗(yàn)將RF調(diào)制信號(hào)直接引入放大器的輸入引腳。

這些早期研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1.增加串聯(lián)電阻和寄生電容，輸入電阻和反饋電阻值的增大可改善反相運(yùn)放電路的抗射頻干擾能力。這種電阻-電容(RC) 組合構(gòu)成一低通濾波器，防止RFI到達(dá)音頻放大器輸入端。

2. 寄生電容Cin(反相與同相輸入間)和CRg(電阻Rg分流)使反相運(yùn)放電路的抗射頻干擾能力比同相運(yùn)放電路的更好。

3. 認(rèn)為金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)場(chǎng)效應(yīng)管(FET)比雙極型晶體管更不易受射頻干擾影響，因RF信號(hào)感應(yīng)使集電極電流的變化比因MOS管漏極電流感應(yīng)而使集電極電流的變化要大。實(shí)際上，F(xiàn)ET本質(zhì)上比雙極型晶體管更不易受射頻干擾，這是因?yàn)槠浞蔷€(xiàn)性更平滑。

4.此外，大多數(shù)音頻運(yùn)放都采用幾何尺寸大、電壓較高的CMOS工藝制作，其RF帶寬比電壓相當(dāng)?shù)碾p極型工藝的RF帶寬窄得多。

以往這些研究證明，反饋電阻值更高，RFI電容的增加以及使用固有的更線(xiàn)性的MOSFET 輸入器件都降低了射頻干擾。但是還應(yīng)該在近場(chǎng)條件下評(píng)估這些結(jié)果，以確定對(duì)附近存在很多不同電路分支的現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)設(shè)計(jì)的有效性，包括天線(xiàn)。

圖 4給出了一款研究天線(xiàn)布放處的近場(chǎng)干擾的評(píng)估板。如何用大多數(shù)高頻模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備組成測(cè)試平臺(tái)，詳細(xì)情況請(qǐng)參看Intersil公司的應(yīng)用筆記AN1299(http://www.intersil.com/data/an/AN1299.pdf)。測(cè)試平臺(tái)產(chǎn)生1kHz調(diào)制的掃描頻率RF信號(hào)，用1kHz調(diào)制信號(hào)跟蹤RF輸入源和到音頻放大器輸出的信號(hào)路徑。

天線(xiàn)端接一50Ω電阻，將天線(xiàn)環(huán)末端彎曲，寬度約等于集成電路(IC)封裝的寬度。圖 5給出了天線(xiàn)的布放和外部元件的對(duì)稱(chēng)布局，圖 6以圖表形式示出了近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)條件。雙SL28291音頻放大器的兩個(gè)放大器(通道)的差分增益配置為10，使兩輸入端的阻抗相等。通道“A”的電阻5kΩ/500Ω，通道"B"的電阻為500kΩ/50kΩ，電阻值高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

在掃描頻率為100 kHz～6 GHz范圍測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明干擾集中在1.4～2.8GHz范圍和3.8～5GHz范圍(圖7)。頻率掃描期間天線(xiàn)的位置如圖7右下方所示。注意，初始掃描時(shí)天線(xiàn)直接在部件封裝上方。在上述干擾集中區(qū)采用單個(gè)載波頻率進(jìn)行下列測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：

1.高反饋電阻值比低反饋電阻值更能降低干擾。將天線(xiàn)直接布放在高值電阻上方產(chǎn)生的干擾比布放在低值電阻上方產(chǎn)生的干擾水平低。頻率越高，干擾水平越低。這一觀察結(jié)果與Ghadamabadi以前報(bào)道的結(jié)果一致。對(duì)這兩組電阻值，將天線(xiàn)布放在IC上方產(chǎn)生的干擾最小。

2.加RFI電容可能弊大于利。將天線(xiàn)直接布放在高值電阻上方產(chǎn)生的干擾比布放在低值電阻上方產(chǎn)生的干擾水平低。可以看出: 頻率越高，干擾水平越低。這一觀察結(jié)果與Ghadamabadi以前報(bào)道的結(jié)果一致。不過(guò)，將天線(xiàn)直接布放在IC封裝上方在兩個(gè)放大器的輸出端產(chǎn)生的干擾要高得多，與電阻值無(wú)關(guān)。圖 6給出了遠(yuǎn)場(chǎng)天線(xiàn)和近場(chǎng)天線(xiàn)的信號(hào)路徑。在遠(yuǎn)場(chǎng)天線(xiàn)條件下，電纜的串聯(lián)電阻、PCB走線(xiàn)和外部元件形成一低通濾波器和RFI電容。此時(shí)，增加RFI電容的這一經(jīng)驗(yàn)法則對(duì)于RF信號(hào)進(jìn)入放大器前消除它是有效的。對(duì)于近場(chǎng)天線(xiàn)，低通濾波器阻抗非常小或者沒(méi)有， RFI電容實(shí)際上在放大器輸出端得到更高的阻抗。

3. MOSFET輸入放大器比雙極型晶體管更不易受RFI影響。

將天線(xiàn)直接布放在模塊或電阻上方表明MOSFET輸入比雙極型輸入放大器的干擾小得多。這一結(jié)論與Fiori以前報(bào)道的結(jié)果一致。

總之，用增加RFI電容來(lái)控制干擾的老經(jīng)驗(yàn)法則實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致與天線(xiàn)布放位置有關(guān)的干擾的增加。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在使用RFI電容作為可能的RFI解決方案前，就應(yīng)該考慮到無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中天線(xiàn)的位置。高值反饋電阻和MOSFET輸入放大器的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法則，對(duì)改善近場(chǎng)條件下電路的抗射頻干擾能力仍然有效。