如何将天线对音频电路的干扰影响减到最小

如何将天线对音频电路的干扰影响减到最小如何将天线对音频电路的干扰影响减到最小 在很多便携式无线设计中 发射器可能离音频电路仅仅数英寸 这样 如 果设计人员未考虑天线的位置 设计就可能产生很多问题 常规的附加物 如 增加屏蔽 对现今极其紧凑的电子产品来说可能不合适 在微型便携式无线产 品中使射频干扰 RFI 最小化 一个重要考虑因素就是天线与设计的音频电路的 相对位置 近年来 便携式无线收发器在很多应用中迅猛增加 这些应用包括语音 数据和视频信号的发送及接收 无线设备的关键要求之一就是电子线路必须在 其它高频无线发射器 如蓝牙设备 附近工作 以前的干扰研究是将任何源都看 作远场 并且重点放在同轴电缆和印刷电路板 PCB 上的金属化走线上耦合的 干扰 然而 却忽略了由封装引线支架和键合线耦合的干扰 未对其进行研究 在很多便携式无线设计中 发射器可能离音频电路仅仅数英寸 这样 如 果设计人员未考虑天线的位置 设计就可能产生很多问题 常规的附加物 如 增加屏蔽 对现今极其紧凑的电子产品来说可能不合适 辐射干扰可分为远场干扰和近场干扰 远场干扰定义为来自距离超过所关 注频率约 10 个波长处 以 2 4GHz 的蓝牙频率为例 10 个波长等于 125mm 即 4 1 英尺 为了与早期研究一致 将远场辐射看作传导干扰 而将近场辐射看作近场 干扰 传导干扰是由同轴电缆 PCB 走线和外部元件耦合的远场源调制 RF 信 号的能量 此能量被传导至便携式设备的音频放大器输入引脚 近场干扰等于 来自近场源的传导干扰 以及因距无线产品天线很近而被音频放大器封装的引 线支架和键合线耦合的干扰的和 为减轻接收电路中 RFI 的影响 早期对远场 条件下的研究为设计人员得出了多条基本经验法则 为评估 RFI 影响 这些研 究是将调制好的 RF 信号直接引入同轴电缆 图 1 通过这些研究 建立了多种 减少 RFI 的预防措施 本文将对某些早期研究和基于反馈电阻 RFI 电容和精 心设计输入级配置的远场 RFI 方案与现代紧凑型无线产品遭受的典型近场条件 进行比较 为使 RF 干扰对无线收发器的影响最小 首先要了解以调制 RF 信号形式 出现的干扰是如何产生通向频率低得多的音频放大器及其支持电路的路径 图 2 给出的概念模型图说明了载波频谱是如何偏移调制 RF 载波 产生调制低频 干扰信号 这个过程从调幅 AM RF 信号通过音频放大器输入信号引脚开始 放大器的低带宽滤波器筛选出 RF 载波 在音频放大器输出端产生解调信号 图 3 是一种 IC 附近存在高频源情况下的行为模型和等效电路 此模型给出了音 频放大器输入的传导路径和近场路径 根据基本的天线理论可知 长度不到载波波长 1 4 的电路走线就能形成此 频率信号下的有效天线 对于蓝牙设备的 2 4GHz 载波信号 31 25mm 即 1 2 英寸 的 PCB 走线即可构成高效的天线 评估板上的外部元件 如电容和电阻 也是非常好的 RF 信号接收天线 因此 干扰信号有很多路径进入无线产品的音频放大器电路 也就可以理 解在防止这些干扰方面还有大量的试验研究工作要做 关于远场天线的传导干 扰及对电路运放解调的 RF 的影响 已经有多篇文章发表 再次强调 这些实 验将 RF 调制信号直接引入放大器的输入引脚 这些早期研究的实验结果表明 1 增加串联电阻和寄生电容 输入电阻和反馈电阻值的增大可改善反相运 放电路的抗射频干扰能力 这种电阻 电容 RC 组合构成一低通滤波器 防止 RFI 到达音频放大器输入端 2 寄生电容 Cin 反相与同相输入间 和 CRg 电阻 Rg 分流 使反相运放电路 的抗射频干扰能力比同相运放电路的更好 3 认为金属氧化物半导体 MOS 场效应管 FET 比双极型晶体管更不易受 射频干扰影响 因 RF 信号感应使集电极电流的变化比因 MOS 管漏极电流感 应而使集电极电流的变化要大 实际上 FET 本质上比双极型晶体管更不易受 射频干扰 这是因为其非线性更平滑 4 此外 大多数音频运放都采用几何尺寸大 电压较高的 CMOS 工艺制作 其 RF 带宽比电压相当的双极型工艺的 RF 带宽窄得多 以往这些研究证明 反馈电阻值更高 RFI 电容的增加以及使用固有的更 线性的 MOSFET 输入器件都降低了射频干扰 但是还应该在近场条件下评估 这些结果 以确定对附近存在很多不同电路分支的现代无线设计的有效性 包 括天线 图 4 给出了一款研究天线布放处的近场干扰的评估板 如何用大多数高频 模拟测试实验室标准设备组成测试平台 详细情况请参看 Intersil 公司的应用笔 记 AN1299 1kHz 调制的扫描频率 RF 信号 用 1kHz 调制信号跟踪 RF 输入源和到音频放大器输 出的信号路径 天线端接一 50 电阻 将天线环末端弯曲 宽度约等于集成电路 IC 封装 的宽度 图 5 给出了天线的布放和外部元件的对称布局 图 6 以图表形式示 出了近场和远场条件 双 SL28291 音频放大器的两个放大器 通道 的差分增益 配置为 10 使两输入端的阻抗相等 通道 A 的电阻 5k 500 通道 B 的电 阻为 500k 50k 电阻值高两个数量级 在扫描频率为 100 kHz 6 GHz 范围测量 实验结果表明干扰集中在 1 4 2 8GHz 范围和 3 8 5GHz 范围 图 7 频率扫描期间天线的位置如图 7 右下方所示 注意 初始扫描时天线直接在部件封装上方 在上述干扰集中区 采用单个载波频率进行下列测试 测试结果如下 1 高反馈电阻值比低反馈电阻值更能降低干扰 将天线直接布放在高值电 阻上方产生的干扰比布放在低值电阻上方产生的干扰水平低 频率越高 干扰 水平越低 这一观察结果与 Ghadamabadi 以前报道的结果一致 对这两组电 阻值 将天线布放在 IC 上方产生的干扰最小 2 加 RFI 电容可能弊大于利 将天线直接布放在高值电阻上方产生的干扰 比布放在低值电阻上方产生的干扰水平低 可以看出 频率越高 干扰水平越 低 这一观察结果与 Ghadamabadi 以前报道的结果一致 不过 将天线直接 布放在 IC 封装上方在两个放大器的输出端产生的干扰要高得多 与电阻值无关 图 6 给出了远场天线和近场天线的信号路径 在远场天线条件下 电缆的串联 电阻 PCB 走线和外部元件形成一低通滤波器和 RFI 电容 此时 增加 RFI 电 容的这一经验法则对于 RF 信号进入放大器前消除它是有效的 对于近场天线 低通滤波器阻抗非常小或者没有 RFI 电容实际上在放大器输出端得到更高的 阻抗 3 MOSFET 输入放大器比双极型晶体管更不易受 RFI 影响 将天线直接布放在模块或电阻上方表明 MOSFET 输入比双极型输入放大 器的干扰小得多 这一结论与 Fiori 以前报道的结果一致 总之 用增加 RFI 电容来控制干扰的老经验法则实际