降低手機的"嗡嗡"噪聲

使用全差動音頻放大器，可以降低蜂窩設(shè)備常見的噪聲。

2004 年 6 月

手機、個人數(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。這推動了新式音頻功率放大器 (PA) 的發(fā)展，這些 PA 提供了全差動的架構(gòu)，實現(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)、典型橋接負載以及全差動的音頻放大器，此外還將探討噪聲對電源和 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)：單端、典型的橋接負載以及全差動的放大器。單端 (SE) 音頻功率放大器一般是所有架構(gòu)中最簡單的一種。不過，在手機中我們一般不用其驅(qū)動酷炫鈴聲或免提操作模式等應(yīng)用的揚聲器。SE 放大器一般都用于驅(qū)動耳機，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 代表揚聲器阻抗。

從性能的角度看，主要的弱點在于典型的小負載阻抗（這里是 4Ω 至 8Ω 的揚聲器）將驅(qū)動低頻轉(zhuǎn)角頻率 (F_C) 升高。因此需要較大值的 C_OUT 將低頻傳送到揚聲器中。我們不妨設(shè)想這樣一種情況，假設(shè)揚聲器負載為 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。該解決方案對無線環(huán)境不太合適。這要求手機設(shè)計人員為負軌添加 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、進入關(guān)機狀態(tài)或從關(guān)機狀態(tài)恢復(fù)時總會發(fā)出"噗噗"聲。當(dāng)揚聲器的電壓發(fā)生一定（電壓脈沖）變化時，這種不良噪聲就會出現(xiàn)。這與上升時間、下降時間以及電壓脈沖寬度有關(guān)。

大多數(shù)人對 20Hz 至 20kHz 的聲音有反應(yīng)。因此，如果脈沖長度低于 50ms，那么耳朵就不會有反應(yīng)。此時頻率將大于 20kHz，也就不會聽到"噗噗"聲。如果脈沖的上升時間多于 50ms，此時的頻率將低于 20Hz，耳朵也聽不到"噗噗"聲。如果脈沖寬度大于 20ms，就會聽到這出了名的"噗噗"聲，這時脈沖的上升時間不到 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(shù)智能電話應(yīng)用來說太慢了。

在單端單電源情況下，"噗噗"聲也會出現(xiàn)，因為輸出 DC 阻礙電容器保存電荷。當(dāng)放大器輸出處發(fā)生變化時，其電壓以及電容器上的原有電壓都會加到揚聲器上，結(jié)果就會發(fā)出"噗噗"聲。

最后，當(dāng)談到音頻放大器時，向負載供電是關(guān)鍵問題。在單電源情況下使用 SE 放大器時，揚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，揚聲器上的電勢只能在V_DD 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：

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

目前的手機和便攜式通信設(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 放大器包括兩個單端放大器，驅(qū)動負載的兩端。第一個放大器 (A) 設(shè)置增益，而第二個放大器 (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。這種差動驅(qū)動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驅(qū)動，一側(cè)下降時另一側(cè)就會上升，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?

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 時間常數(shù)。正如我們前面提到的那樣，如果時間常數(shù)大于 50ms，就聽不到"噗噗"聲。

C_BYPASS 的第二個功能就是降低電源生成的噪聲。由于輸出驅(qū)動信號的耦合，因此產(chǎn)生該噪聲，它來自放大器內(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，它可能會影響 THD + N。

與 SE 音頻放大器相比，這種架構(gòu)的優(yōu)勢在于相同電源軌實現(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單端輸入，則將會出現(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產(chǎn)生"咔咔"或"嗡嗡"聲。這種現(xiàn)象稱作 RF 校正。

全差動的放大器

目前許多手機、PDA、智能電話和新式無線設(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 所示的全差動音頻放大器。全差動放大器增益由下式確定：

全差動放大器具有差動的輸入與輸出。這些 PA 包括差動與共模反饋。差動反饋保證放大器輸出差動電壓，其等于差動輸入乘以增益。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。為了確保一個輸出不會先于另一個輸出削減 (clip)，輸出偏置為 V_DD/2。

全差動放大器除了有 BTL 放大器相對于 SE 放大器所具有的全部優(yōu)勢外，相對于典型的 BTL 放大器它還有三大優(yōu)勢。首先，不再需要輸入偶合電容器。使用全差動放大器時，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 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對正負極產(chǎn)生同樣的影響，因此取消差動輸出的旁路電容。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 以及全差動架構(gòu)。

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的。請記住，揚聲器一側(cè)上升時另一側(cè)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，這種類型架構(gòu)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導(dǎo)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 全差動音頻功率放大器，PSRR 值在 3.6V 電壓上頻率為 217Hz 至 2kHz 時規(guī)定為 -87dB。采用 PSRR 的標(biāo)準(zhǔn)公式，輸出電壓可計算如下：

對于電源軌上 500mV 的變化，差動輸出電壓的變化是 22μV。

在 TDMA 和 GSM 手機中，最嚴(yán)重的電源電壓噪聲來自 RF 級的開與關(guān)。GSM 電話的開關(guān)頻率為 217Hz。當(dāng) RF 功率放大器接通時，從電源獲得高電流，這時電源下降高達 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 時電源電壓下降 500mV 產(chǎn)生的影響，我們將測試三個全差動音頻功率放大器：3.1W AB 類 TPA6211A1、1.25W AB 類 TPA6203A1 和 2.5W D 類 TPA2010D1（圖 4）。測試 TPA6203A1 和 TPA2010D1 的結(jié)果顯示，由于全差動放大器的 PSRR，電源軌的變化對輸出信號幾乎沒有影響。因此，這就不會造成揚聲器發(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，主要的問題是噪聲會被閉環(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外，幾乎沒有抗噪能力。

相反，全差動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 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 時的 CMRR 為 -74dB，增益為 1V/V。假定耦合至輸入的共模噪聲為每個輸入 100mV，則傳輸?shù)捷敵龅脑肼暱捎靡韵路匠淌接嬎愕贸觯?

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

采用 BTL 輸出配置時，揚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 放大器無法抑制耦合到輸出的噪聲，我們不妨來看看圖 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。在實驗室中，測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。噪聲像是方波門控的 RF 信號。實際屏幕截圖見圖 5。

考察全帶寬 (>20 MHz)，我們發(fā)現(xiàn)信號在每個放大器輸出上獲得，不過這不會有影響。揚聲器無法在這么高的頻率上復(fù)制信號。不過，我們再來看看 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)法對千兆赫信號作出響應(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)法對門控射頻波形作出響應(yīng)，但只能對低頻作出響應(yīng)。如果噪聲注入到輸入上，由于 CMRR 差，所以 OUT+ 的噪聲更大。

我們在全差動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，全差動放大器無噪聲，這是因為差動反饋到輸入的緣故。我們可從圖 6 看到這種效果。這里，GSM 手機放在靠近 BTL 和全差動放大器輸出處，我們采集了合成的波形。如果在輸入加入噪聲，則全差動放大器將會由其 CMRR 抑制噪聲。與典型的 BTL 相比，全差動放大器顯然對 RF 噪聲有著最好的抗擾度。

概要

在便攜式無線通信設(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，就會造成"咔咔"和"嗡嗡"的噪聲。與此相比，全差動放大器在此環(huán)境條件下表現(xiàn)優(yōu)異。由于全差動反饋以及消除 RF 校正影響的功能，它可最小化手機的"嗡嗡"噪聲。