如何將天線對音頻電路的幹擾影響減到最小

2021-01-07 電子產品世界

在很多可攜式無線設計中，發射器可能離音頻電路僅僅數英寸。這樣，如果設計人員未考慮天線的位置，設計就可能產生很多問題。常規的附加物，如增加屏蔽，對現今極其緊湊的電子產品來說可能不合適。在微型可攜式無線產品中使射頻幹擾(RFI)最小化，一個重要考慮因素就是天線與設計的音頻電路的相對位置。

 

 

近年來，可攜式無線收發器在很多應用中迅猛增加，這些應用包括語音、數據和視頻信號的發送及接收。無線設備的關鍵要求之一就是電子線路必須在其它高頻無線發射器(如藍牙設備)附近工作。以前的幹擾研究是將任何源都看作遠場，並且重點放在同軸電纜和印刷電路板(PCB)上的金屬化走線上耦合的幹擾。然而，卻忽略了由封裝引線支架和鍵合線耦合的幹擾，未對其進行研究。

 

在很多可攜式無線設計中，發射器可能離音頻電路僅僅數英寸。這樣，如果設計人員未考慮天線的位置，設計就可能產生很多問題。常規的附加物，如增加屏蔽，對現今極其緊湊的電子產品來說可能不合適。

 

輻射幹擾可分為遠場幹擾和近場幹擾。遠場幹擾定義為來自距離超過所關注頻率約10個波長處。以2.4GHz的藍牙頻率為例，10個波長等於125mm (即4.1英尺)。

 

為了與早期研究一致，將遠場輻射看作傳導幹擾，而將近場輻射看作近場幹擾。傳導幹擾是由同軸電纜、PCB走線和外部元件耦合的遠場源調製RF信號的能量。此能量被傳導至可攜式設備的音頻放大器輸入引腳。近場幹擾等於來自近場源的傳導幹擾，以及因距無線產品天線很近而被音頻放大器封裝的引線支架和鍵合線耦合的幹擾的和。為減輕接收電路中RFI的影響，早期對遠場條件下的研究為設計人員得出了多條基本經驗法則。為評估RFI影響，這些研究是將調製好的RF信號直接引入同軸電纜(圖 1)。通過這些研究，建立了多種減少RFI的預防措施。本文將對某些早期研究和基於反饋電阻、RFI電容和精心設計輸入級配置的遠場RFI方案與現代緊湊型無線產品遭受的典型近場條件進行比較。

 

 

 

為使RF幹擾對無線收發器的影響最小，首先要了解以調製RF信號形式出現的幹擾是如何產生通向頻率低得多的音頻放大器及其支持電路的路徑。圖2給出的概念模型圖說明了載波頻譜是如何偏移調製RF載波，產生調製低頻幹擾信號。這個過程從調幅(AM) RF信號通過音頻放大器輸入信號引腳開始。放大器的低帶寬濾波器篩選出RF載波，在音頻放大器輸出端產生解調信號。圖3是一種IC附近存在高頻源情況下的行為模型和等效電路，此模型給出了音頻放大器輸入的傳導路徑和近場路徑。

 

 

 

根據基本的天線理論可知，長度不到載波波長1/4的電路走線就能形成此頻率信號下的有效天線。對於藍牙設備的2.4GHz載波信號，31.25mm (即1.2 英寸)的PCB走線即可構成高效的天線。評估板上的外部元件，如電容和電阻也是非常好的RF信號接收天線。

 

 

 

因此，幹擾信號有很多路徑進入無線產品的音頻放大器電路，也就可以理解在防止這些幹擾方面還有大量的試驗研究工作要做。關於遠場天線的傳導幹擾及對電路運放解調的RF的影響，已經有多篇文章發表。再次強調，這些實驗將RF調製信號直接引入放大器的輸入引腳。

 

這些早期研究的實驗結果表明：1.增加串聯電阻和寄生電容，輸入電阻和反饋電阻值的增大可改善反相運放電路的抗射頻幹擾能力。這種電阻-電容(RC) 組合構成一低通濾波器，防止RFI到達音頻放大器輸入端。

 

2. 寄生電容Cin(反相與同相輸入間)和CRg(電阻Rg分流)使反相運放電路的抗射頻幹擾能力比同相運放電路的更好。

 

3. 認為金屬氧化物半導體(MOS)場效應管(FET)比雙極型電晶體更不易受射頻幹擾影響，因RF信號感應使集電極電流的變化比因MOS管漏極電流感應而使集電極電流的變化要大。實際上，FET本質上比雙極型電晶體更不易受射頻幹擾，這是因為其非線性更平滑。

4.此外，大多數音頻運放都採用幾何尺寸大、電壓較高的CMOS工藝製作，其RF帶寬比電壓相當的雙極型工藝的RF帶寬窄得多。

 

以往這些研究證明，反饋電阻值更高，RFI電容的增加以及使用固有的更線性的MOSFET 輸入器件都降低了射頻幹擾。但是還應該在近場條件下評估這些結果，以確定對附近存在很多不同電路分支的現代無線設計的有效性，包括天線。

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