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手机音频设计之TDD电流声背后的秘密

(2011-12-17 21:17)

引言

从乔布斯的iphone到音乐机典范OPPO/步步高,乃至当下风靡的小米和华为智能机风潮,对手机音频的设计无不精益求精。小米总裁雷军在论坛中和米粉们关于音频设计细节展开热烈的讨论,而华为终端CMO余承东要求华为的手机音频质量一定是世界一流水准,绝不做任何的牺牲和妥协。所谓“一流水准”一方面体现在播放音质和音量上的优异表现,震撼的重低音效果以及空间音场重现,另一方面则是完全解决在通话等基本应用上存在的疑难问题,比方说TDD Noise。虽然后者看上去是一个很熟悉,很基本的概念,但事实是我们还是常常为TDD电流声所困扰。当和手机设计圈的朋友们聊起关于TDD电流声的设计考虑,他们也往往表现出些许无奈。对于TDD电流声的认识,当下的设计人员已经有比较成熟的基础,在天线设计,PCB的布局走线,滤波器件的选择等方面都有丰富的经验可循,但为什么TDD的电流声还是不能够完善解决,TDD是否就真的如此不可捉摸?这里我们希望通过对TDD电流声成因的深入分析,抽丝剥茧,找到TDD电流声背后潜藏的秘密。

 

TDD的成因:

GSM蜂窝电话采用TDMA(时分多址)时隙分享技术,产生900MHz或者1800MHz的高功率RF信号,以217Hz的频率重复出现,在一个周期内(4.6ms)分有8个间隙,其中只有1个间隙(0.58ms)的时间在发射RF功率,瞬时的burst电流可以超过1A。如果这种周期性的间歇电流脉冲耦合至音频电路中,就会产生音频范围内的217Hz“嘀嘟”电流声,其中包括了217Hz及它的谐波分量。

 

TDD电流声的传播方式:传导和辐射。

传导主要是通过电源电流纹波和地线纹波电流的方式影响到音频电路。辐射则主要是通过天线发射将RF信号耦合到音频系统及音频周边器件,经过音频器件的调制产生217Hz的音频包络信号。

 

传导干扰:

射频模块的burst大电流需要从电池抽取,而电池本身具有一定内阻,从而导致整个系统的电源上会有217Hz的纹波抖动,抖动的幅度一般可达200mV~500mV,这种抖动同样会传递到音频功放的电源端。为避免电源纹波耦合到喇叭,就要求功放具有良好的电源纹波抑制比(PSRR)。PSRR是用来衡量音频功放抑制电源纹波噪声性能好坏的度量标准,一般来讲,-60dB的PSRR性能,可以对电源纹波有1000倍的幅度衰减,足以满足应用的要求。但令人疑惑的是,手机设计人员选择的音频功放的PSRR指标往往都是优于-60dB的,但在专门针对TDD传导的测试中电流声却依然存在,这其中究竟是哪个环节出现了问题?

为提升芯片的PSRR性能,功放设计人员会想方设法的保证芯片内部偏置电压的稳定,采用优化的放大器架构和对称的板图布局,但对实际应用中功放外围器件的匹配精度考虑不充分,往往都是基于理想的外围器件匹配。而这里需要特别指出的是功放的PSRR性能与功放外围器件的矢配有着直接的关系。如图一所示,对于典型的差分输入的功放而言,两个输入电阻和输入电容都希望大小完全一致,但这在工程选型中却很难满足。一般来讲,5%的电阻精度,±10%的电容精度是比较常用的,其中电阻的精度可进一步选取1%,而电容却较难找到比±10%更高精度的物料,同时高精度的物料也意味着更高的成本和工程管控代价。

图一 电阻电容矢配是音频系统PSRR的瓶颈

 

我们考虑电阻偏差在±1%,电容偏差在±10%,此时即使功放本身的性能完全理想化,整个音频系统的PSRR理论值不会超过-30dB,远低于一般功放手册中的-60dB的标称值,对传导TDD的抑制能力下降20倍以上。这一点解释了设计人员关于传导TDD的疑惑。

那么如果实际应用中电阻电容偏差不可控制,我们要如何实现良好的PSRR性能?为实现这一目标,就要求功放芯片本身设计中能够做到PSRR性能对外围电阻电容矢配的不敏感。艾为音频功放系列产品采用了特有的放大器架构和偏置电平控制电路,使得整个音频系统的PSRR性能不受外围电阻电容的矢配影响,即使外围电阻电容有±10%甚至更大矢配的情况下,整个音频系统的PSRR性能依然优于-60dB,彻底的解决了实际应用环境对PSRR性能的影响,带来更强的设计灵活性。图二为艾为音乐功放AW8010A在外围器件存在矢配情况下的PSRR性能,其中考虑电阻偏差为±1%,电容偏差为±10%。

图二 外围器件存在矢配情况下AW8010A的PSRR性能

 

辐射干扰:

辐射主要是通过天线发射将RF信号耦合到音频系统及音频周边器件,经过音频器件的调制产生217Hz的音频包络信号,表现为可听闻的TDD电流声。

GSM蜂窝电话时隙分享技术的8个时隙中(4.6ms),只有1个时隙的时间(0.58ms)天线在发射高功率RF信号,而其他的7个时隙处于空闲状态,这种间歇性的高功率RF能量会通过空间辐射耦合到音频功放I/O节点及周边器件,如图三所示。经过音频电路的调制将RF信号能量折叠到音频频带内,形成217Hz的音频包络信号。当音频的输入和输出走线比较长,功放输出到喇叭的电流环路面积比较大时这种空间辐射的影响尤为严重,因为此时较长的输入和输出走线变身为一个良好的RF天线,接受了更多的RF能量。

 

图三 RF辐射干扰音频电路

 

辐射TDD的影响可以通过良好的PCB走线布局尽可能避免,也可通过增加滤波器件对RF能量进行衰减。如图四所示,在功放的电源端,输入端和输出端增加10pF~100pF的滤波电容以滤除RF干扰信号,同时靠近功放输出端增加磁珠(或电感)与电容形成二阶滤波对抑制来自输出走线的RF辐射很有帮助。

图四 增加滤波器件抑制RF辐射干扰

 

但是在实际应用中,尽管在PCB做了诸多优化,并且也增加了RF滤波器件,但却不能够完全地阻止RF信号到达功放芯片的电源和输入输出端口,最终还是在喇叭上产生了可感知的TDD电流声。如果想彻底的解决辐射TDD的问题,就需要功放芯片本身具备RF辐射的抑制设计。如图四所示,艾为电子的音频功放AW8090A等产品增加了艾为独有的(RNS)RF Noise Suppression技术,采用了对RF干扰免疫的放大器架构,并且在芯片电源和输入输出端口进行了RF屏蔽的优化设计,在获得优异PSRR性能的同时,确保功放输出给喇叭的驱动信号不会受到天线RF辐射的影响,有效地抑制天线RF辐射引起的TDD Noise。

图五 一个实测案例的纹波测试结果

在图五的一个案例实测结果中,功放电源端瞬时有接近500mV的217Hz纹波抖动,同时存在天线的辐射干扰,但采用带有RNS抑制技术的艾为功放芯片AW8090A后,喇叭两端的差分信号没有发现217Hz的音频包络信号。图六中通过FFT(傅立叶分析)频谱分析也可以看到,电源端纹波的217Hz分量高达-20dBV,而功放输出端信号的217Hz及其谐波分量却小于-100dBV,明显低于人耳可感知的信号幅度。

图六 实测案例的FFT频谱分析

 

在另外多个的实测案例中,直观的利用射频综测仪在GSM 900M的33dBm和DTS 1800MHz的30dBM最大发射功率下听音测试,采用带有RNS技术的艾为功放芯片,人耳距离喇叭5cm内均听不到明显的TDD电流声。

 

小结

    RF Noise等通话质量问题关乎终端用户的基本使用感受,完美的解决此类疑难杂症是一个优秀的手机音频设计必备的第一步。而这一点可以通过对RF设计的优化和采用芯片级RNS技术得以实现。

目前上海艾为电子的AW8090A,AW8010A, AW8735等系列音频功放产品均采用艾为专有的RNS(RF Noise Suppression)技术,全面解决困扰手机设计人员的TDD电流声难题。

 

 

参考文献

1.         N. L. Whyman, “Modelling RF interference effects in integrated circuits and electronic system”, M.Phil. to D.Phil. transfer report submitted to University of York 1999.

2.         K.Armstrong; “Analogue circuit design for RF immunity”, Australian Electronic Engineering, 2002, p.1-4.

3.         F.Fiori et al, “Nonlinear effects of RF interference in MOS operational amplifiers”, IEEE 2001, p.201-204..

 

评 论
1楼 xiaoB 发表于 2011-12-20 16:05 回复
en 不错啊,顶起~~~
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评 论
zwww1212艾为哪颗FM LNA IC 呢?(2-18)
52RD网友孙总这个造型变化很大啊(1-3)
yuzhouyouling天啊。。推荐日志里全是艾为的软文。。。。(12-5)
xtwang1016加油!努力!(10-25)
52RD网友虽然不恰当。。。蛮装逼的(9-29)
52RD网友写得不错(9-18)
caiqing07104感谢楼主分享, 技术贴!(9-12)
caiqing07104感谢楼主分享!!(9-12)