噪聲和 TDMA 噪聲

“噪聲”通常廣泛用于描述那些會使所需信號的純凈度產(chǎn)生失真的多余的電氣信號。一些類型的噪聲是無法避免的（例如被測信號幅值上的實際波動），只能通過信號平均化和帶寬收縮技術(shù)來克服這類噪聲。另一種類型的噪聲（例如，射頻干擾和“接地回路”）能夠通過不同的技術(shù)來降低或者消除，包括濾波技術(shù)和仔細的接線設(shè)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程并能夠通過低噪聲放大器設(shè)計技術(shù)來削弱。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(tǒng)開始使用降噪技術(shù)。下面介紹的是影響電子電路的各種類型噪聲的簡單總結(jié)。

 

熱噪聲（或者 Johnson 噪聲或者白噪聲）與電阻中電子的熱擾動而體現(xiàn)出的溫度直接相關(guān)。在揚聲器或者麥克風的例子中，噪聲源是空氣分子的熱運動。

 

散粒噪聲是由于從表面發(fā)射或者從結(jié)點擴散的大量帶電載流子隨機的波動而造成的。該噪聲總是與直流電流相關(guān)聯(lián)，而與溫度無關(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)的時間常數(shù)， 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發(fā)現(xiàn)此類噪聲。在一些雙極性集成電路中，炒爆噪聲是由于發(fā)射區(qū)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。這是另一種類型的低頻噪聲。

 

雪崩噪聲是 pn 結(jié)中的齊納現(xiàn)象或者雪崩擊穿現(xiàn)象產(chǎn)生的一種噪聲類型。在雪崩擊穿發(fā)生時，反偏 pn 結(jié)耗盡層中的空穴和電子通過與硅原子的碰撞以獲得足夠的能量來產(chǎn)生空穴 - 電子對。

 

TDMA 噪聲（“哼聲”）源于 GSM 蜂窩電話中產(chǎn)生的 217Hz 的頻率波形，當它耦合至音頻路徑和傳到揚聲器、聽筒或者麥克風時會產(chǎn)生可聽見的噪聲。下文會給出關(guān)于此類噪聲的詳細描述。

 

本應用指南將會明確說明客戶在 GSM 蜂窩電話設(shè)計過程中驅(qū)動單通道揚聲器時所遇到的 TDMA 噪聲難題。在深入研究如何將該噪聲最小化時，將會回顧一下橋接負載（BTL）單通道放大器工作的背景說明。在下面應用圖示中，所有的電阻都具有相等的 R 值（圖 1）。

在該結(jié)構(gòu)（圖 1）中，一個輸入信號 VIN 加到放大器 A1 的反相輸入端并通過增益為 0dB 的放大。A1 的輸出連接到揚聲器的一側(cè)和放大器 A2 的反相輸入端，同樣經(jīng)過 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(jié)構(gòu)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的四倍（圖 2）。

 

圖 2 橋接負載的輸出電壓

 

正如 GSM 蜂窩電話制造商所發(fā)現(xiàn)的，BTL 單通道結(jié)構(gòu)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，聽起來是一種“哼聲”，被稱之為 TDMA 噪聲。GSM 蜂窩電話使用 TDMA（時分多址）時隙分享技術(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 1A，在通話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 諧波信號會產(chǎn)生聽到的“哼聲”。

 

是什么造成可聽到的“哼聲”？在音頻范圍內(nèi)的能量，包含 217Hz 的 TDMA 重復脈沖速率和它的諧波，在聲道中以兩種方式存在：在直流電源中的電流變化， 和在 RF 信號的調(diào)制包絡。來自 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主要的產(chǎn)生機理是電源紋波電流和接地線紋波電流，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

 

當存在長的走線連接放大器輸出至喇叭時，潛在的 RF 能量耦合到音頻電路的事件最有可能發(fā)生，此時走線類似于天線的作用。好的布局應該能防止 RF 能量耦合至音頻和電源走線，在電話中這些走線連接基帶部分或者音頻電路。這些子系統(tǒng)的設(shè)計必須能夠阻止或者對地旁路 RF 信號， 使得該信號不會傳至半導體有源音頻器件的結(jié)點。能夠通過不同的路徑將 RF 能量從 RF 電路傳至音頻電路中：

* 從天線輻射到音頻或者電源器件， 或者連接它們的走線或器件。

* 從 RF 器件經(jīng)走線到音頻器件的傳導。

* 經(jīng)地線至音頻子系統(tǒng)的傳導。

* 行線之間的線到線的耦合， 或者從行線至同一層或相鄰層的地端耦合。

* 從行線到器件或者器件到器件的耦合。

 

預防方法包括屏蔽、地線設(shè)計和仔細的整體布局實踐。一些預防方法如下：

* 屏蔽音頻部分和與之關(guān)聯(lián)的電源管理和基帶部分來隔離雜散 RF 信號。屏蔽 RF 部分將雜散能量降到最低。

* 將屏蔽接至大地使大動態(tài)電流無阻礙流入。

* 將音頻電路部分下面大塊的連續(xù)音頻接地和脈沖電流隔離開來。

* 不允許同一層上的走線將接地線分開。

* 將器件經(jīng)多過孔與接地層相連。

* 不要將攜帶電源或者音頻信號的布線與那些包含 RF 信號或大動態(tài)電源電流的走線平行放置。使敏感走線和潛在干擾源的間距最大。

* 對于必須保持垂直或（90’’）的走線設(shè)計，要將噪聲耦合降到最低。

* 通過一個包含足夠通孔的地線形成法拉第屏蔽來將內(nèi)層的音頻走線與非音頻走線隔離。

* 不要將包含 RF 信號或者動態(tài)直流電流的走線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 能量源隔離開來。

 

盡管努力做了很多預防措施，但是仍然會有一些 RF 能量會耦合到音頻走線上。還利用對地旁路電容形成的單極點低通濾波器進一步衰減傳導至音頻放大器半導體結(jié)點的 RF 能量。必須使用小容量的電容對 RF 能量進行旁路，這樣才不會影響音頻信號。因為 GSM 蜂窩電話的頻帶范圍大約在 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 能量進行旁路。如果需要進一步的隔離，應增加一個電感（或者鐵氧體磁珠;鐵氧體磁珠是電感和電阻的組合）來形成一個兩極點低通濾波器，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 LM4845 單通道輸出的實際應用。客戶通過實現(xiàn) -3dB 截止頻率為 1MHz 的兩極點低通濾波器，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，屬于聽力可接收水平。

 

圖 5 隔離放大器輸出的外置兩極點低通濾波器

 

雖然 GSM 蜂窩電話制造商在使用 LM4845 時會遇到 TDMA 噪聲的難題，其他的客戶則不會。在尋找并處理客戶電路的故障之后，可以確定較差的器件布局和較差的電路布線是產(chǎn)生音頻蜂音的主要原因。為了幫助系統(tǒng)設(shè)計師將噪聲敏感度降到最低，重新設(shè)計 LM4845 為差分的單端輸入電路，放大器輸出端是專有的 RF 抑制電路。這款改進的器件就是 LM4946。圖 6 所示為 LM4845 和 LM4946 在相同情況下的比較。如果沒有 RF 抑制電路，通過 217Hz 的 TDMA 脈沖在 RF 調(diào)制包絡上的重復攜載，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(diào)制包絡。

 

 

圖 6 測量得到的 TDMA 噪聲

 

當前，只有 LM4884 和 LM4946 包含了專有的 RF 抑制電路，應用該技術(shù)的更先進的其他產(chǎn)品正在開發(fā)之中。

 

結(jié)語

正如一句古老的諺語所說的，“預防勝于治療”;我們可以將同樣的哲理應用到 GSM 蜂窩電話的設(shè)計之中，在設(shè)計完之后再嘗試去抑制 TDMA 噪聲的成本比較昂貴、耗費大量時間還達不到所想要的效果，所以好的預防技術(shù)應該出現(xiàn)在實際的電路布局之前;器件定位，電源走線位置，地線位置，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)的未來產(chǎn)品能夠充分地將 TDMA 噪聲降到最低，目前仍沒有單獨的解決方案可以防止 TDMA 噪聲的產(chǎn)生。