噪聲和TDMA噪聲

“噪聲”通常廣泛用于描述那些會使所需信號的純凈度產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際波動)，只能通過信號平均化和帶寬收縮技術來克服這類噪聲。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來降低或者消除，包括濾波技術和仔細的接線設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計技術來削弱。盡管降低噪聲的技術是有效的，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。下面介紹的是影響電子電路的各種類型噪聲的簡單總結。

熱噪聲(或者Johnson噪聲或者白噪聲)與電阻中電子的熱擾動而體現(xiàn)出的溫度直接相關。在揚聲器或者麥克風的例子中，噪聲源是空氣分子的熱運動。

散粒噪聲是由于從表面發(fā)射或者從結點擴散的大量帶電載流子隨機的波動而造成的。該噪聲總是與直流電流相關聯(lián)，而與溫度無關，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的陷阱造成的。這些陷阱隨機地捕獲和釋放載流子，并具有與工藝相關的時間常數(shù), 產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)的產生是因為重金屬離子玷污的存在，在一些集成電路和分離電阻中都會發(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結中的齊納現(xiàn)象或者雪崩擊穿現(xiàn)象產生的一種噪聲類型。在雪崩擊穿發(fā)生時，反偏pn結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生空穴-電子對。

TDMA噪聲(“哼聲”)源于GSM蜂窩電話中產生的217Hz的頻率波形，當它耦合至音頻路徑和傳到揚聲器、聽筒或者麥克風時會產生可聽見的噪聲。下文會給出關于此類噪聲的詳細描述。

本應用指南將會明確說明客戶在GSM蜂窩電話設計過程中驅動單通道揚聲器時所遇到的TDMA噪聲難題。在深入研究如何將該噪聲最小化時，將會回顧一下橋接負載(BTL)單通道放大器工作的背景說明。在下面應用圖示中，所有的電阻都具有相等的R值(圖1)。

圖1. 橋接負載的單通道放大器

在該結構(圖1)中，一個輸入信號VIN加到放大器A1的反相輸入端并通過增益為0dB的放大。A1的輸出連接到揚聲器的一側和放大器A2的反相輸入端，同樣經(jīng)過0dB增益放大。A2的輸出連接到揚聲器的另一端。因為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，是單個放大器輸出幅值的兩倍。當給定正弦輸入信號, 比較單端放大器，該BTL結構有效地加倍輸出電壓，使得在相同負載下輸出功率增加為原來的四倍(圖2)。

圖2 橋接負載的輸出電壓

正如GSM蜂窩電話制造商所發(fā)現(xiàn)的，BTL單通道結構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(時分多址)時隙分享技術產生從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諧波信號會產生聽到的“哼聲”。

是什么造成可聽到的“哼聲”?在音頻范圍內的能量，包含217Hz的TDMA重復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信號的調制包絡。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主要的產生機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能量的一部分也會耦合到音頻電路中。

圖4 RF能量耦合到音頻電路中

當存在長的走線連接放大器輸出至喇叭時，潛在的RF能量耦合到音頻電路的事件最有可能發(fā)生，此時走線類似于天線的作用。好的布局應該能防止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)的設計必須能夠阻止或者對地旁路RF信號, 使得該信號不會傳至半導體有源音頻器件的結點。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。
經(jīng)地線至音頻子系統(tǒng)的傳導。
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。

預防方法包括屏蔽、地線設計和仔細的整體布局實踐。一些預防方法如下：

屏蔽音頻部分和與之關聯(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")的走線設計，要將噪聲耦合降到最低。

通過一個包含足夠通孔的地線形成法拉第屏蔽來將內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防措施，但是仍然會有一些RF能量會耦合到音頻走線上。還利用對地旁路電容形成的單極點低通濾波器進一步衰減傳導至音頻放大器半導體結點的RF能量。必須使用小容量的電容對RF能量進行旁路，這樣才不會影響音頻信號。因為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，應該使用各自不同的電容對產生的RF能量進行旁路。如果需要進一步的隔離，應增加一個電感(或者鐵氧體磁珠;鐵氧體磁珠是電感和電阻的組合)來形成一個兩極點低通濾波器，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單通道輸出的實際應用?？蛻敉ㄟ^實現(xiàn)-3dB截止頻率為1MHz的兩極點低通濾波器，可以體驗單通道喇叭的音頻蜂音，其遠超出了音頻范圍而又遠低于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低通濾波器

雖然GSM蜂窩電話制造商在使用LM4845時會遇到TDMA噪聲的難題，其他的客戶則不會。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生音頻蜂音的主要原因。為了幫助系統(tǒng)設計師將噪聲敏感度降到最低，重新設計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調制包絡上的重復攜載，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制包絡。

圖6 測量得到的TDMA噪聲

當前，只有LM4884和LM4946包含了專有的RF抑制電路，應用該技術的更先進的其他產品正在開發(fā)之中。

結語

正如一句古老的諺語所說的,“預防勝于治療”;我們可以將同樣的哲理應用到GSM蜂窩電話的設計之中，在設計完之后再嘗試去抑制TDMA噪聲的成本比較昂貴、耗費大量時間還達不到所想要的效果，所以好的預防技術應該出現(xiàn)在實際的電路布局之前;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防技術。LM4946、LM4884以及具有RF抑制技術的未來產品能夠充分地將TDMA噪聲降到最低，目前仍沒有單獨的解決方案可以防止TDMA噪聲的產生。

注意：在本應用指南中，術語“TDMA噪聲”，“RF能量”，“音頻蜂音”和“哼聲”可以交替使用。