降低手機(jī)的"嗡嗡"噪聲

使用全差動(dòng)音頻放大器，可以降低蜂窩設(shè)備常見的噪聲。

2004 年 6 月

手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理 (PDA) 和其它便攜式通信設(shè)備常常在條件惡劣而且噪聲相當(dāng)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(gòu)，實(shí)現(xiàn)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(gòu)、典型橋接負(fù)載以及全差動(dòng)的音頻放大器，此外還將探討噪聲對(duì)電源和 RF 校正的影響。

業(yè)界使用三種主要類型的音頻功率放大器架構(gòu)：?jiǎn)味?、典型的橋接?fù)載以及全差動(dòng)的放大器。單端 (SE) 音頻功率放大器一般是所有架構(gòu)中最簡(jiǎn)單的一種。不過，在手機(jī)中我們一般不用其驅(qū)動(dòng)酷炫鈴聲或免提操作模式等應(yīng)用的揚(yáng)聲器。SE 放大器一般都用于驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，用于欣賞 MP3格式的音樂或游戲音頻（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 (C_OUT) 阻止放大器輸出處的 DC 偏置，這就避免了負(fù)載中的 DC 電流。輸出耦合電容器和負(fù)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(yáng)聲器阻抗。

從性能的角度看，主要的弱點(diǎn)在于典型的小負(fù)載阻抗（這里是 4Ω 至 8Ω 的揚(yáng)聲器）將驅(qū)動(dòng)低頻轉(zhuǎn)角頻率 (F_C) 升高。因此需要較大值的 C_OUT 將低頻傳送到揚(yáng)聲器中。我們不妨設(shè)想這樣一種情況，假設(shè)揚(yáng)聲器負(fù)載為 8Ω，如使用 68μF 的 C_OUT，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 (C_OUT)，我們需要分離 (split) 電源軌。該解決方案對(duì)無(wú)線環(huán)境不太合適。這要求手機(jī)設(shè)計(jì)人員為負(fù)軌添加 DC 至 DC 轉(zhuǎn)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、關(guān)閉、進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)或從關(guān)機(jī)狀態(tài)恢復(fù)時(shí)總會(huì)發(fā)出"噗噗"聲。當(dāng)揚(yáng)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(xiàn)。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(shù)人對(duì) 20Hz 至 20kHz 的聲音有反應(yīng)。因此，如果脈沖長(zhǎng)度低于 50ms，那么耳朵就不會(huì)有反應(yīng)。此時(shí)頻率將大于 20kHz，也就不會(huì)聽到"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，耳朵也聽不到"噗噗"聲。如果脈沖寬度大于 20ms，就會(huì)聽到這出了名的"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(duì)大多數(shù)智能電話應(yīng)用來(lái)說太慢了。

在單端單電源情況下，"噗噗"聲也會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)檩敵?DC 阻礙電容器保存電荷。當(dāng)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(yáng)聲器上，結(jié)果就會(huì)發(fā)出"噗噗"聲。

最后，當(dāng)談到音頻放大器時(shí)，向負(fù)載供電是關(guān)鍵問題。在單電源情況下使用 SE 放大器時(shí)，揚(yáng)聲器的一端通過輸出電容器連接于放大器的輸出；另一端接地。這樣，揚(yáng)聲器上的電勢(shì)只能在V_DD 與接地之間。我們可用以下方程式計(jì)算到負(fù)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：

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

目前的手機(jī)和便攜式通信設(shè)備均采用一般類型的音頻放大器架構(gòu)：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(qū)動(dòng)負(fù)載的兩端。第一個(gè)放大器 (A) 設(shè)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(qū)動(dòng)配置的主要好處之一就在于到負(fù)載的功率。有了到揚(yáng)聲器的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，一側(cè)下降時(shí)另一側(cè)就會(huì)上升，反之亦然。與參考接地的負(fù)載相比，這種特性能有效地使負(fù)載電壓擺幅翻番。由于負(fù)載上的電壓擺幅有效翻番，因此輸出功率方程式變?yōu)椋?

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(yáng)聲器上電壓的翻番使得相同電源軌與負(fù)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 (C_BYPASS)。該電容是電路中最關(guān)鍵的元件。首先，C_BYPASS 決定著放大器啟動(dòng)的速度。如果放大器斜波上升較慢，就可減小"噗噗"的噪聲。C_BYPASS 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(shù)。正如我們前面提到的那樣，如果時(shí)間常數(shù)大于 50ms，就聽不到"噗噗"聲。

C_BYPASS 的第二個(gè)功能就是降低電源生成的噪聲。由于輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的耦合，因此產(chǎn)生該噪聲，它來(lái)自放大器內(nèi)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(xiàn)。在電源噪聲較大的系統(tǒng)中，它可能會(huì)影響 THD + N。

與 SE 音頻放大器相比，這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于相同電源軌實(shí)現(xiàn)的輸出功率量。此外，還可去掉輸出 DC 阻塞電容器。總而言之，揚(yáng)聲器兩側(cè)均偏置在 V_DD/2 左右，這就消除了 DC 偏移?，F(xiàn)在，低頻性能只受限于輸入網(wǎng)絡(luò)和揚(yáng)聲器響應(yīng)。

但是，這種類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(xiàn)在輸出中，并被放大器增益放大。由于放大器 B 沒有至輸入的反饋，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(xiàn)象稱作 RF 校正。

全差動(dòng)的放大器

目前許多手機(jī)、PDA、智能電話和新式無(wú)線設(shè)備都在用一種新型的音頻功率放大器架構(gòu)，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(shè)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 V_DD/2 左右。該反饋是器件內(nèi)在固有的。它用分壓器和電容器產(chǎn)生了穩(wěn)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 V_DD/2。

全差動(dòng)放大器除了有 BTL 放大器相對(duì)于 SE 放大器所具有的全部?jī)?yōu)勢(shì)外，相對(duì)于典型的 BTL 放大器它還有三大優(yōu)勢(shì)。首先，不再需要輸入偶合電容器。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(duì) TPA6203A1 與 TPA2010D1 而言，放大器的輸入可偏置為 0.5 V 至 V_DD - 0.8V。但如果輸入偏置到輸入共模范圍之外，則應(yīng)采用輸入耦合電容器。

第二，不再需要中間電源旁路電容 C_BYPASS。中間電源的任何變動(dòng)對(duì)正負(fù)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(duì) 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(shì)就是它提高了 RF 的抗擾性。這一優(yōu)勢(shì)主要?dú)w功于良好的 CMRR 以及全差動(dòng)架構(gòu)。

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

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

音頻功率放大器的三大噪聲源為：

• 電源噪聲
  
• 輸入耦合的噪聲
  
• 輸出耦合的噪聲

電源電壓的變化通常都會(huì)導(dǎo)致放大器輸出的小錯(cuò)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(duì)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 至 2kHz 時(shí)規(guī)定為 -87dB。采用 PSRR 的標(biāo)準(zhǔn)公式，輸出電壓可計(jì)算如下：

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

在 TDMA 和 GSM 手機(jī)中，最嚴(yán)重的電源電壓噪聲來(lái)自 RF 級(jí)的開與關(guān)。GSM 電話的開關(guān)頻率為 217Hz。當(dāng) 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(dá) 500mV。PSRR 差的音頻放大器將在揚(yáng)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，我們將測(cè)試三個(gè)全差動(dòng)音頻功率放大器：3.1W AB 類 TPA6211A1、1.25W AB 類 TPA6203A1 和 2.5W D 類 TPA2010D1（圖 4）。測(cè)試 TPA6203A1 和 TPA2010D1 的結(jié)果顯示，由于全差動(dòng)放大器的 PSRR，電源軌的變化對(duì)輸出信號(hào)幾乎沒有影響。因此，這就不會(huì)造成揚(yáng)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)，主要的問題是噪聲會(huì)被閉環(huán)增益放大，因而放大器輸出將出現(xiàn)有害噪聲。這種類型的放大器除了在放大器前過濾輸入信號(hào)外，幾乎沒有抗噪能力。

相反，全差動(dòng)放大器在抑制噪聲方面表現(xiàn)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?shù)捷敵龅脑肼暱捎靡韵路匠淌接?jì)算得出：

通過方程式計(jì)算，得出差動(dòng)放大器輸出上 20μV 的紋波。對(duì)于單端放大器而言，結(jié)果將是 100mV 乘以閉環(huán)增益。

采用 BTL 輸出配置時(shí)，揚(yáng)聲器上最常聽到的噪聲是 RF 功率放大器在 217Hz 的開關(guān)噪聲，通常聽到的這種開關(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 5 和圖 6。

在打開狀態(tài)下，射頻功率放大器發(fā)送數(shù)據(jù)至基站。在實(shí)驗(yàn)室中，測(cè)試人員在音頻放大器 10 厘米外手持 GSM 電話，而后他們查看音頻放大器輸出上獲得的信號(hào)。噪聲像是方波門控的 RF 信號(hào)。實(shí)際屏幕截圖見圖 5。

考察全帶寬 (>20 MHz)，我們發(fā)現(xiàn)信號(hào)在每個(gè)放大器輸出上獲得，不過這不會(huì)有影響。揚(yáng)聲器無(wú)法在這么高的頻率上復(fù)制信號(hào)。不過，我們?cè)賮?lái)看看 BTL 架構(gòu)帶寬有限 (<20 MHz) 的情況，反相跟隨器 (inverter follower)（BTL 放大器）設(shè)法對(duì)千兆赫信號(hào)作出響應(yīng)，這使得輸出(OUT-)以門控方波的速率下降（GSM 為 217Hz），這種下降又導(dǎo)致了揚(yáng)聲器發(fā)出"咔咔"或"嗡嗡"的噪聲。

在上述測(cè)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(duì)恒定，因?yàn)檩斎?IN- 沒有向 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(shè)法對(duì)門控射頻波形作出響應(yīng)，但只能對(duì)低頻作出響應(yīng)。如果噪聲注入到輸入上，由于 CMRR 差，所以 OUT+ 的噪聲更大。

我們?cè)谌顒?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?yàn)椴顒?dòng)反饋到輸入的緣故。我們可從圖 6 看到這種效果。這里，GSM 手機(jī)放在靠近 BTL 和全差動(dòng)放大器輸出處，我們采集了合成的波形。如果在輸入加入噪聲，則全差動(dòng)放大器將會(huì)由其 CMRR 抑制噪聲。與典型的 BTL 相比，全差動(dòng)放大器顯然對(duì) RF 噪聲有著最好的抗擾度。

概要

在便攜式無(wú)線通信設(shè)備中，音頻功率放大器容易因環(huán)境條件惡劣而出現(xiàn)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(xiàn)優(yōu)異。由于全差動(dòng)反饋以及消除 RF 校正影響的功能，它可最小化手機(jī)的"嗡嗡"噪聲。