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如何将天线对音频电路的干扰影响减到最小

2010-06-04 17:59
seele_jin
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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(http://www.intersil.com/data/an/AN1299.pdf)。测试平台产生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。

 

 

 

天线端接一50Ω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5kΩ/500Ω,通道"B"的电阻为500kΩ/50kΩ,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上会导致与天线布放位置有关的干扰的增加。系统设计人员在使用RFI电容作为可能的RFI解决方案前,就应该考虑到无线产品设计中天线的位置。高值反馈电阻和MOSFET输入放大器的经验设计法则,对改善近场条件下电路的抗射频干扰能力仍然有效。

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