管理手机中的噪音

介绍影响噪声性能的蜂窝电话听筒问题。电源布局改进可减少噪声问题。线性稳压器用于降低低频时的噪声。功率放大器偏置将噪声调制到RF输出端。解释了低压差稳压器输出噪声。

为了最好地处理手机噪声问题，您应该了解手机的噪声耦合机制、噪声敏感电路节点和噪声产生电路。

图1.开关模式和线性稳压器可干净高效地分配电源。

现代手持式蜂窝无线电收发器几乎不可能完成的任务是在众多不需要的信号中选择和解调所需信号。对于典型的蜂窝无线电，所需的信号幅度可能仅为0.35 μV，比附近无用信号的幅度低100dB以上。为了将该信号放大到适合解调的水平，蜂窝无线电通常包含增益超过80dB的中频（IF）部分。

为了满足所需的误码率（BER），必须了解和管理系统的电气噪声。屏蔽和过滤是有效的，但这些措施给消费者手机带来了额外的重量、尺寸、热量和成本，同时缩短了电池寿命。作为一种更好的方法，您可以从一开始就设计系统，以便已知的噪声频谱不会干扰无线电的性能。管理蜂窝手机中的噪声需要了解：

噪声传播机制

噪声灵敏度最高的点

噪声产生电路

蜂窝电话听筒

数字蜂窝电话由射频、数字和模拟电路组成，是封装、人机界面和节能考虑的奇迹。RF部分由滤波器、低噪声放大器、混频器、功率放大器（PA）和频率合成器组成。混合模式ASIC连接到来自发送和接收部分的IF信号。

混合模式ASIC与包含数字信号处理器（DSP）和系统控制处理器的数字ASIC协同工作，通常包含用于调制和解调IF信号的数据转换器。系统控制处理器通常管理对手机操作至关重要的人机界面和智能电源管理任务。

配电子系统管理电池组（在本例中为单个锂离子[Li+]电池），并将工作电压和电流分配给整个手机。Li+电池具有强制性保护电路，可防止电流或电压过高造成的灾难性损坏。手机还可以包括开关模式电源（SMPS），将电池电压升压到适合功率放大器的水平。

新型低压ASIC可以从小型降压SMPS接收电源，其余RF和模拟电路可由线性低压差稳压器供电。各种调节器在处理器控制下关闭和打开，将手机置于特定无线系统（例如GSM或IS-95）所需的各种操作模式。再加上对电池中剩余电量的准确了解，这种电源管理技术可实现尽可能长的电池寿命。

噪声传播机制

传导和辐射是噪声从噪声发生器传播到噪声接收器的两种方法。导通模式通过导线、印刷电路走线或平面、金属机箱或电容器等电气元件引导噪声。辐射通过空气或通过电介质（例如FR4电路板材料）传递噪声能量。传导噪声可以用传统的电路技术滤除;辐射噪声通常通过屏蔽最小化。

系统中的传导噪声在找到有效的“天线”后通常会变成辐射噪声。众所周知，传导噪声存在于特定的导体上，使您能够仅在需要时应用滤波，但辐射噪声往往会渗透到系统中并无处不在。虽然系统通常通过额外的屏蔽、导电涂层和垫圈来控制辐射噪声，但如果通过适当的PC布局和滤波将噪声限制在导电模式内，则这些措施是不必要的。因此，最好的方案是将噪声保持在传导模式，不让它辐射。

图2.对于 IS136 和 GSM 等突发系统，储能电容器和升压转换器可将电池上的大瞬变降至最低。

功率放大器

PA通过从电源吸收大电流来产生噪声。一个3.6V、效率为50%的PA，其信号在到达天线之前面临3dB的损耗，可以从单个Li+电池吸收600mA至800mA电流。这种大电源电流流过Li+连接器、PCB走线和接地回路中的电阻，从而在整个手机的电源线上产生更大的噪声。

对于使用 GSM 和 IS-136 TDMA 标准规定的突发传输模式的系统，问题更加复杂。通过仅在短时间间隔内打开PA，突发模式会对电源和配电子系统施加严重的瞬变。

为突发模式系统中使用的PA供电的一种常用方法是提高电源电压，从而降低峰值电流，最大限度地降低噪声，并允许使用更常见且成本更低的PA技术。尽管如此，由于需要提供峰值电流，仍会导致升压转换器被过度指定。更好的解决方案是将升压的能量存储在大电容器上。然后，升压转换器只需在发射器突发之间补充电容上的电荷。典型的发射器占空比约为12%。

PA功率问题似乎已经解决，但仍然存在典型DC-DC转换器的行为：当它检测到电容电压下降时，它会尝试尽快补充电荷，从Li+电池吸取电流浪涌，从而带回噪声问题。针对此问题的独特解决方案（使用大电容器为GSM/TDMA发射器供电）被集成在为此目的设计的某些芯片中。

MAX1687和MAX1688为升压电源转换器，可通过电池峰值电流限制或自适应限流算法为储能电容充电，均由用户设置。因此，电容器和电源转换器协同工作，以保持高效的功率转换，同时最大限度地减少流向PA的大电流浪涌可能造成的系统中断。为了进一步控制噪声，这些芯片允许在发射突发期间禁用其内部SMPS。

PA 偏见

功率放大器对偏置电压变化也很敏感。GaAs-FET PA上的偏置电压控制偏置电流，偏置电流设置PA的增益和输出阻抗。因此，偏置引脚是一个幅度调制输入。砷化镓PA上出现的噪声在RF输出端显示为包络变化，将低频噪声信号转换为RF，RF将通过系统并与所需信号一起从天线辐射。

GaAs PA使用耗尽模式MOSFET，当从源极到漏极施加电压时，该MOSFET传导最大漏极电流，而没有栅极偏置。为了控制漏极电流，栅极电位必须为负（低于地电位）。一种方法是使用反相电荷泵（如MAX871）产生负栅极偏置，但产生的偏置未经稳压，并且包含来自电荷泵工作的强开关噪声。

图3.MAX881R的互锁功能可保护砷化镓PA免受破坏。

您可以使用无源滤波组件将这种噪声降至最低，但它们的尺寸可能令人望而却步。此外，未稳压输出会改变PA的增益和输出阻抗，以至于输出阻抗匹配网络迫使系统低效运行并浪费功率。为了产生稳定、安静且定义明确的偏置电压，通常的做法是，在电荷泵之后使用反相基准电压源的运算放大器。虽然灵活，但这种方法不会产生物理上最小的电路。

用于产生PA偏置的最小电路是MAX881，它集成了反相电荷泵和负稳压器，采用微型10引脚μMAX封装。砷化镓PA的所有常见偏置问题都在这款小型低功耗IC中得到解决。在正常工作条件下，其输出噪声和纹波（~1mVQ-1）足够低，可以防止在PA的RF输出端出现不需要的噪声边带。MAX881还可检测负偏置电压的存在，表明当施加PA的主电源电压时，漏极电流将得到控制。结果是一个安全联锁，可防止PA意外损坏。

锁相环频率合成器

在许多手机中，第一个本振（LO）由锁相环（PLL）频率合成器产生。对于 AMPS 手机，压控振荡器 （VCO） 必须在 30MHz 附近的 ±12.5MHz 范围内调谐 880kHz 步进。 （实际 VCO 产生的频率被第一个 IF 偏移。如果假设PLL电路工作在3V，则整个25MHz调谐范围应由2V调谐电压（控制电压）覆盖。两伏电压提供了一个裕量，可确保PLL不会因瞬态或温度漂移而饱和。

VCO 增益为 25MHz/2V 或 12.5MHz/V。如此高的增益使得VCO对控制线上出现的小噪声电压非常敏感。如果鉴相器和VCO在高增益PLL中相距甚远，它通常会拾取辐射噪声，需要屏蔽电缆来保留VCO的噪声频谱。通过其他路径进入的许多干扰也会调制PLL中的VCO：

电源噪声，注入包含鉴相器的PLL芯片中。

注入VCO的电源噪声。

传递到有源积分器或环路滤波器输出端的电源噪声（检查运算放大器的PSRR以估计此影响）。

晶体振荡器（TCXO/VCTCXO）上的噪声。超高Q值电路中的振荡器信号应该是干净且无噪声的，但过多的电源噪声会提高振荡器的本底噪声。由于PLL将环路带宽内的噪声乘以PLL分频比（AMPS手机为~30，000），因此频率合成器对TCXO的噪声非常敏感。

VCO输出负载阻抗变化引起的噪声，该阻抗反射回VCO并拉动其工作频率。

图4.通过在基准电压源上增加一个旁路电容（CB），可以降低LDO稳压器的输出噪声。

对于环路带宽将噪声频谱调整为介于直流和500kHz之间的系统，第1项至第4项可以通过无源滤波得到改善。频率合成器应由独立的低压差（LDO）线性稳压器供电，以避免从电源传导的噪声。然而，对于现代数字通信系统，电源调制引起的残余相位噪声太大。LDO稳压器为频率合成器提供干净且稳定的电源电压，但也会产生噪声。

宽带噪声源

LDO稳压器（由基准电压源、误差放大器和串联调整管组成的闭环系统）由于其执行的功能而可以成为宽带噪声源。基准电压源可能具有很大的噪声成分，误差放大器也是如此。将该噪声与系统增益电平（在2Hz至3MHz带宽内典型值为10倍至1倍）相结合，使MAX8863 LDO的输出噪声电平为350μV有效值.您可以在基准电压源放大基准噪声之前降低此噪声低通滤波器。

低噪声LDO稳压器（MAX8877）将基准电压引入封装引脚，通过在封装引脚增加一个电容，将噪声旁路至地。例如，一个 0.01μF 电容器可将输出噪声降至 30μV有效值在 10Hz 至 100kHz 带宽上。这种改进可以将900MHz时的PLL噪声降低10dB至20dB。

LDO 还用于将手机的各个部分彼此隔离。在LDO带宽内，MAX8877抑制10kHz×60dB的电源噪声。就PCB面积而言，这种抑制是划算的（IC采用SOT23封装）。在低频下提供相同滤波器作用的无源元件将是大而巨大的。因此，低噪声LDO非常适合用于现代数字手机，其市场不断要求更小的尺寸和成本。

提高效率

开关模式电源在现代移动电话中占有一席之地，最新的SMPS IC具有小尺寸、高效率、低压差、小型外部元件和噪声控制特性。例如，MAX1692是一款降压型电源转换器，采用脉宽调制（PWM）和同步整流，获得90%的效率和低噪声、可预测的噪声频谱。该器件采用单节Li+电池工作，产生3V至4.2V电压，可产生低至1.25V的电源电压，用于为现代手机中使用的大型ASIC供电。

为了控制来自高增益RF部分（如IF部分）发出的干扰，MAX1692可以与外部晶体控制时钟同步（频率在500kHz至1MHz之间），如TCXO产生的时钟。高频操作对于使用小型外部元件和噪声频谱规划至关重要。

图5.两个电流环路在降压SMPS中产生噪声。

开关模式电源产生噪声频谱，其中最低频率是开关模式电源的基波开关频率。谐波之间的间距等于这个基波，但频谱的其他方面很难预测。谐波之间的噪声功率分布是波形（相对于时间）、电流电平、电感值、电容器值和PCB布局的函数。

开关噪声可以在输入、输出和接地线上传导，也可以由PCB走线辐射。应始终将SMPS传导的纹波和噪声降至最低，即使添加滤波器网络以减少传导噪声实际上会增加辐射噪声。这种噪声从布局中辐射出来，然后在整个系统中有效地传播，似乎来自任何地方。

为了最好地处理手机噪声问题，您应该了解手机的噪声耦合机制、噪声敏感电路节点和噪声产生电路。升压功率转换器和大电容可将GSM/TDMA系统中PA瞬变产生的传导噪声降至最低。SMPS的辐射噪声在很大程度上取决于PC布局，新颖的原理图可以指导布局，实现首次成功。小型线性稳压器提供有源噪声滤波，通过基准旁路，可以产生频率合成器所需的极低噪声水平。最后，将IF放置在电源噪声谐波之间的安静区可以消除破坏现代数字手机误码率的信号污染。

不要被误导

典型降压开关模式电源的原理图有助于很好地理解电路工作原理。不幸的是，它还指导 PC 板布局人员为 PC 板制作有缺陷的平面图。请考虑下面的 SMPS 操作。

图6.改进的SMPS原理图有助于改善布局并降低噪声。

当电源开关元件（S1）闭合时，电流从C1流经S1流向电感（L1）并进入C2，通过接地路径返回C1（-）端子。当S1断开时，Vx变为低电平，直到二极管（D1）导通。环流的路径现在是D1到L1到C2，然后再回到D1。辐射噪声功率由电流和环路的辐射电阻控制：

PαI²（A² / λ4),

其中P为辐射噪声功率，A为电流环路面积，I为电流，λ为波长。在任何给定波长（频率）下，辐射噪声功率由环路面积与环流的乘积的平方增加。因此，使用标准SMPS原理图通常提供PCB布局，其环路面积会产生高水平的传导和辐射噪声。结果是浪费时间迭代 PC 板布局以试图控制这种噪音。

为了首次成功，请尝试重新绘制原理图，强调 C1、D1 和 C2 接地连接需要物理接近。这样的布局从一开始就实现了低噪音运行。假设您有一个干净且优化的 PC 板布局，您应该检查工作频率以确定其与无线电接收器的 IF 和 IF 带宽的关系。如果中频带宽小于SMPS工作频率，则应将中频置于SMPS谐波之间的“安静区”。一旦完成，即使系统中存在噪声，SMPS噪声也不会污染高增益IF部分，因为IF通带将没有能量成分。为了进行适当的选择和权衡，应在无线电的频率规划阶段早期考虑这些噪声规划步骤。

审核编辑：郭婷