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。一些類型的噪聲是無法避免的（例如被測信號幅值上的實(shí)際波動(dòng)），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(xì)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(jì)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(dòng)而體現(xiàn)出的溫度直接相關(guān)。在揚(yáng)聲器或者麥克風(fēng)的例子中，噪聲源是空氣分子的熱運(yùn)動(dòng)。

 

散粒噪聲是由于從表面發(fā)射或者從結(jié)點(diǎn)擴(kuò)散的大量帶電載流子隨機(jī)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(jī)地捕獲和釋放載流子，并具有與工藝相關(guān)的時(shí)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?yàn)橹亟饘匐x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(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(shí)，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(dāng)它耦合至音頻路徑和傳到揚(yáng)聲器、聽筒或者麥克風(fēng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生可聽見的噪聲。下文會(huì)給出關(guān)于此類噪聲的詳細(xì)描述。

 

本應(yīng)用指南將會(huì)明確說明客戶在 GSM 蜂窩電話設(shè)計(jì)過程中驅(qū)動(dòng)單通道揚(yáng)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(fù)載（BTL）單通道放大器工作的背景說明。在下面應(yīng)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(gè)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(yáng)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(yáng)聲器的另一端。因?yàn)?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(dāng)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(fù)載下輸出功率增加為原來的四倍（圖 2）。

 

圖 2 橋接負(fù)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(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 1A，在通話期間的脈沖重復(fù)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(fù)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(luò)。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(gè)主要的產(chǎn)生機(jī)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(huì)耦合到音頻電路中。

 

圖 4 RF 能量耦合到音頻電路中

 

當(dāng)存在長的走線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)走線類似于天線的作用。好的布局應(yīng)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(jì)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(dǎo)體有源音頻器件的結(jié)點(diǎn)。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(dǎo)。

* 經(jīng)地線至音頻子系統(tǒng)的傳導(dǎo)。

* 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(yù)防方法包括屏蔽、地線設(shè)計(jì)和仔細(xì)的整體布局實(shí)踐。一些預(yù)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(dòng)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(dòng)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(jì)，要將噪聲耦合降到最低。

* 通過一個(gè)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(dòng)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(yù)防措施，但是仍然會(huì)有一些 RF 能量會(huì)耦合到音頻走線上。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(dǎo)至音頻放大器半導(dǎo)體結(jié)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?yàn)?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(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(yīng)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(yīng)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 LM4845 單通道輸出的實(shí)際應(yīng)用?？蛻敉ㄟ^實(shí)現(xiàn) -3dB 截止頻率為 1MHz 的兩極點(diǎn)低通濾波器，可以體驗(yàn)單通道喇叭的音頻蜂音，其遠(yuǎn)超出了音頻范圍而又遠(yuǎn)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(diǎn)低通濾波器

 

雖然 GSM 蜂窩電話制造商在使用 LM4845 時(shí)會(huì)遇到 TDMA 噪聲的難題，其他的客戶則不會(huì)。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(jì)師將噪聲敏感度降到最低，重新設(shè)計(jì) 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(jìn)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(luò)上的重復(fù)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(fù)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(luò)。

 

 

圖 6 測量得到的 TDMA 噪聲

 

當(dāng)前，只有 LM4884 和 LM4946 包含了專有的 RF 抑制電路，應(yīng)用該技術(shù)的更先進(jìn)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(yù)防勝于治療”;我們可以將同樣的哲理應(yīng)用到 GSM 蜂窩電話的設(shè)計(jì)之中，在設(shè)計(jì)完之后再嘗試去抑制 TDMA 噪聲的成本比較昂貴、耗費(fèi)大量時(shí)間還達(dá)不到所想要的效果，所以好的預(yù)防技術(shù)應(yīng)該出現(xiàn)在實(shí)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(yù)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(dú)的解決方案可以防止 TDMA 噪聲的產(chǎn)生。