手机TDD噪音解决方案

移动电话的时分双工噪声解决方案！移动电话、个人数字助理(PDA)和其他便携式通信设备通常在恶劣的条件和嘈杂的环境中工作。这推动了新型音频功率放大器(PA)的发展，该放大器提供全差分架构，并实现良好的射频、共模和功率纹波抑制。本文将讨论单端架构、典型桥式负载和全差分音频放大器，以及噪声对电源和射频校正的影响。业界使用三种主要类型的音频功率放大器架构：单端、典型桥接负载和全差分放大器。单端音频功率放大器通常是所有架构中最简单的。然而，在移动电话中，我们通常不使用它们来驱动扬声器，例如用于酷铃声或免提操作模式。SE放大器通常用于驱动耳机收听MP3格式的音乐或游戏音频(图1)。图1单端音频功率放大器在典型的单电源单端配置中，需要一个输出耦合电容(COUT)来防止放大器输出端的DC偏置，从而避免负载中的DC电流。输出耦合电容和负载阻抗构成一个高通滤波器，由以下等式决定：RL代表扬声器阻抗。从性能角度来看，主要缺点是典型的小负载阻抗(此处为4至8扬声器)会驱动低频转折频率(FC)上升。因此，需要较大值的COUT来将低频传输到扬声器。假设扬声器负载为8。如果使用68F的COUT，292赫兹以下的所有频率都将衰减。为了消除单端放大器的输出电容(COUT)，我们需要分开电源轨。此解决方案不适合无线环境。这就要求手机设计师在负轨上增加DC至DC转换器，这就增加了解决方案的成本和规模。此外，当SE放大器打开、关闭、关闭或从关闭状态恢复时，它总是发出“噗噗”的声音。当扬声器的电压变化到一定程度(电压脉冲)时，就会出现这种不良噪声。这与上升时间、下降时间和电压脉冲宽度有关。大多数人对20赫兹到20赫兹之间的声音有反应。因此，如果脉冲长度小于50毫秒，耳朵将不会响应。此时，频率将大于20千赫，将听不到“噗噗”声。如果脉冲的上升时间超过50毫秒，此时的频率将低于20Hz，耳朵将听不到“噗噗”声。如果脉冲宽度大于20毫秒，将听到著名的“噗噗”声，脉冲的上升时间小于50毫秒。由于单端放大器只有在立即关闭时才能产生脉冲，放大器的上升时间必须大于50毫秒。对于大多数智能手机应用来说，这个速度太慢了。在单端单电源的情况下，也会出现“噗噗”声，因为输出DC阻止电容器储存电荷。当放大器的输出改变时，其电压和电容器上的原始电压将被加到扬声器上，产生“噗噗”声。最后，谈到音频放大器，为负载供电是关键问题。当SE放大器与单个电源一起使用时，扬声器的一端通过输出电容器连接到放大器的输出端；另一端接地。这样，扬声器上的电势只能在VDD和地之间。我们可以使用以下等式来计算负载的输出功率：最大峰峰值输出电压是电源电压。假设正弦波输出，最大均方根输出电压为：最大理论输出功率为：我们将在后面解释，在相同的电源和负载阻抗下，桥式负载(BTL)和全差分放大器可以输出四倍于SE放大器的功率。图2桥式负载音频放大器目前，移动电话和便携式通信设备都采用通用类型的音频放大器架构：具有BTL输出配置的单端输入(图2)。BTL放大器包括两个驱动负载两端的单端放大器。第一放大器(A)设置增益，而第二放大器(B)充当单位增益反相器。BTL放大器的增益由以下等式决定：由于单位增益反相放大器(B)，增益加倍。这种差动驱动配置的主要优点之一是为负载供电。通过对扬声器的差动驱动，当一侧下降时，另一侧将上升，反之亦然。与具有参考地的负载相比，该特性可以有效地使负载电压摆动加倍。由于负载上的电压摆幅实际上翻倍，输出功率等式变为：BTL的最大理论输出功率是：与单源单端音频功率放大器相比，扬声器上的双倍电压使相同电源轨和负载阻抗的输出功率增加了四倍。另一个需要考虑的是旁路电容(CBYPASS)。这个电容器是电路中最关键的元件。首先，CBYPASS决定放大器的启动速度。如果放大器的斜坡上升缓慢，那么“噗噗”的噪音可以降低。CBYPASS和高阻抗电阻分压网络产生中间轨，形成RC时间常数。正如我们前面提到的，如果时间常数超过50毫秒，将听不到“噗噗”声。CBYPASS的第二个功能是降低电源产生的噪声。由于输出驱动信号的耦合，该噪声由放大器内部的中间轨产生电路产生。这种噪声会降低电源抑制比(PSRR)。在具有高电源噪声的系统中，它可能会影响总谐波失真与SE音频放大器相比，这种架构的优势在于由同一供电轨实现的输出功率量。此外，输出DC阻塞电容器也可以被移除。总之，说话人的两边都偏向大约VDD/2，这消除了DC偏移。目前，低频性能仅受输入网络和扬声器响应的限制。然而，这种类型的配置也有明显的缺点。如果任何噪声耦合到单端输入端，它将出现在输出端，并被放大器增益放大。由于放大器b对输入没有反馈，耦合到输出的任何高频噪声也会产生“咔哒”或“嗡嗡”声。这种现象称为射频校正。全差分放大器图3全差分音频放大器目前，许多移动电话、PDA、智能电话和新的无线设备正在使用新的音频功率放大器架构，这是图3所示的全差分音频放大器。全差分放大器的增益由以下等式决定：全差分放大器具有差分输入和输出。这些功率放大器包括差分和共模反馈。差分反馈确保放大器输出的差分电压等于差分输入乘以增益。外部增益设置电阻充当反馈环路。无论输入共模电压如何，共模反馈都可以确保输出共模电压偏置至约VDD/2。这种反馈是设备固有的。它利用分压器和电容产生稳定的中间电源电压。为了确保一个输出不会先于另一个削波，输出被偏置到VDD/2。除了BTL放大器相对于SE放大器的所有优势之外，全差分放大器相对于典型的BTL放大器还有三个优势。首先，不再需要输入耦合电容。当使用全差分放大器时，除了作为中间电源之外，输入还可以偏置到电压。所用放大器必须具有良好的共模抑制比(CMRR)。对于TPA6203A1和TPA2010D1，放大器输入可以从0.5 V偏置到VDD-0.8V。但是，如果输入偏置到输入共模范围之外，则应使用输入耦合电容。其次，不再需要中间电源旁路电容CBYPASS。中间电源的任何变化都会对正极和负极产生相同的影响，从而消除了差分输出的旁路电容。旁路电容的消除对PSRR略有影响，并且由于消除了额外的外部元件，抑制比也是可以接受的。全差分放大器的最后一个主要优势是提高了射频抗扰度。这一优势主要归功于良好的CMRR和全差分架构。为了获得负载输出功率，可以使用与BTL放大器相同的计算方法。放大器也是全差分的。请记住，当说话者的一侧上升，另一侧下降，反之亦然。同样，与参考接地负载相比，这种情况会使负载上的电压摆幅加倍。BTL的最大理论输出功率是：与BTL放大器类似，将扬声器上的电压加倍，可以使相同电源轨和负载阻抗获得的输出功率增加四倍。与以前的放大器相比，这种架构的最大优势是抗噪性。音频功率放大器的三个主要噪声源是：电源噪声输入耦合噪声输出耦合噪声电源电压的变化通常会导致放大器输出的微小错误变化。PSRR是抑制上述效应的能力，一般用分贝表示。例如，对于全差分音频功率放大器，在3.6V电压下，当频率为217赫兹至2千赫时，PSRR值规定为-87分贝。使用PSRR的标准公式，输出电压可以计算如下：对于电源轨上500毫伏的变化，差分输出电压的变化为22 V在时分多址和全球移动通信系统移动电话中，最严重的电源电压噪声来自射频电平的开和关。全球移动电话的开关频率是217赫兹。当射频功率放大器开启时，从电源获得高电流，然后电源下降高达500毫伏。PSRR不佳的音频放大器会在扬声器上产生大于217赫兹的谐波“咔哒”噪声。为了了解217赫兹时电源电压下降500毫伏的影响，我们将测试三个全差分音频功率放大器：3.1瓦AB类TPA6211A1、1.25瓦AB类TPA6203A1和2.5瓦D类TPA2010D1(图4)。TPA6203A1和TPA2010D1的测试结果表明，由于全差分放大器的PSRR效应，供电轨的变化对输出信号影响很小。因此，这不会导致扬声器发出217赫兹的谐波“咔哒”噪声。图4耦合到BTL放大器输出的射频噪声当噪声耦合到单端输入放大器的输入端时，主要问题是噪声会被闭环增益放大，从而在放大器输出端出现有害噪声。这种类型的放大器除了对放大器前的输入信号进行滤波之外，几乎没有抗噪声能力。相比之下，全差分放大器在抑制噪声方面表现出色。放大器只会增加输入之间的差异，从而有效忽略耦合到差分输入走线的任何共模干扰。了解这种抗输入耦合噪声性能的最佳方法是看看CMRR:为了说明CMRR如何影响放大器的交流抗扰度，我们不妨使用全差分AB类放大器。首先，我们使用上述CMRR方程来计算输出电压：TPA6203A1的CMRR为-74dB，在20Hz至20Hz的频率下增益为1V/V。假设耦合到输入端的共模噪声为每输入100毫伏，则传输到输出端的噪声可以通过以下公式计算：差分放大器输出端的20V纹波通过公式计算获得。对于单端放大器，结果是100毫伏乘以闭环增益。当使用BTL输出配置时，扬声器最常听到的噪声是射频功率放大器在217赫兹时的开关噪声，最常听到的开关噪声是“咔嗒”声或“嗡嗡”声。为了理解为什么BTL放大器不能抑制耦合到输出端的噪声，让我们看看图5和图6。在开启状态下，射频功率放大器向基站发送数据。在实验室里，测试人员将一部手机放在距离音频放大器10厘米的地方，然后他们查看从音频放大器的输出中获得的信号。噪声就像方波门控射频信号。实际的屏幕截图如图5所示。观察整个带宽(20 MHz)，我们发现信号是在每个放大器的输出端获得的，但这不会影响它。扬声器无法在如此高的频率下再现信号。然而，让我们看看BTL架构的有限带宽(20兆赫)。逆变器跟随器(BTL放大器)试图响应千兆赫信号，这导致输出(输出)以门控方波(全球移动通信系统为217赫兹)的速率下降，进而导致扬声器发出“咔哒”或“嗡嗡”噪声。在上述测量中，噪声被加到输出端而不是输入端。在带宽有限的情况下，输出相对恒定，因为输入输入端不会向输出端注入噪声。因为输出是输出的输入，所以输出有许多波纹。从输出到输出的反相放大器试图响应门控射频波形，但只能响应低频。如果噪声被注入到输入端，由于CMRR差，输出端会有更多的噪声。我们还将与典型BTL放大器相同的噪声注入到全差分放大器的输出中。当带宽有限时，全差分放大器没有噪声，这是由于输入端的差分反馈。我们可以从图6中看到这种效果。这里，GSM手机被放置在BTL和全差分放大器的输出附近，我们