影響手機(jī)音頻質(zhì)量的PSRR和電源噪聲

中心議題：

分析影響手機(jī)音頻質(zhì)量的PSRR

分析影響手機(jī)音頻質(zhì)量的電源噪聲

解決方案：

在輸入電壓變化時(shí)以較高的PSRR保持固定的輸出電壓

在整個(gè)電池電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定電壓

不管手機(jī)網(wǎng)絡(luò)模式是GSM還是TDMA，RFtransmitter的開關(guān)動(dòng)作都會(huì)給電源帶來(lái)嚴(yán)重的噪聲，因?yàn)樯漕l功放的開關(guān)頻率為217Hz。功放在每次開關(guān)時(shí)都會(huì)從電源吸取很大的電流(典型情況下高達(dá)1.7A)，使得電池等效串聯(lián)電阻(ESR)上將產(chǎn)生高達(dá)500mV的突發(fā)壓降(見圖1)。

　
　　對(duì)于嵌入了高分辨率音頻轉(zhuǎn)換器和音頻放大器的SoC設(shè)計(jì)或者高靈敏的MEMS來(lái)說(shuō)，這種變化將危害SoC的總體性能，特別是音頻質(zhì)量將受到嚴(yán)重影響，會(huì)聽得到嗡嗡的噪聲。
　　這種噪聲的特點(diǎn)是可聽得見，因?yàn)樗皇请S機(jī)的噪聲。事實(shí)上，幅度低至10mv的噪聲如果以一個(gè)固定速率發(fā)生就可以被人耳聽見。這種噪聲比更大幅度的隨機(jī)噪聲更讓人討厭。
　　防止GSM噪聲降低音頻質(zhì)量的最佳方法，就是使用具有很低壓降(LDO)和低輸出噪聲的線性穩(wěn)壓器(LR)從鋰離子電池直接給音頻放大器供電。這種LDO線性穩(wěn)壓器用作放大器電源的“清理”或?yàn)V波模塊。
　　選擇最佳線性穩(wěn)壓器以防止GSM噪聲的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，是穩(wěn)壓器抑制來(lái)自輸入電壓的噪聲的能力，表示為電源抑制比(PSRR)。但PSRR指標(biāo)還應(yīng)與線性穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)和壓降特性結(jié)合在一起考慮。
　　電源抑制比
　　PSRR代表了穩(wěn)壓器在輸入電壓變化時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定的能力。PSRR必須在一定的頻率范圍(當(dāng)然包括關(guān)鍵的217Hz值)和穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的最大輸出電流條件下加以規(guī)定。事實(shí)上，即使穩(wěn)壓器達(dá)到最大負(fù)載要求(壓降最大)時(shí)抑制能力也必須得到確保。通常PSRR性能是在10kHz頻率點(diǎn)定義的，可能無(wú)法正確反映所期望的217Hz點(diǎn)噪聲抑制性能。
　　結(jié)論1：PSRR指標(biāo)必須在一個(gè)完整的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行分析，以正確計(jì)算穩(wěn)壓器對(duì)任何可能的噪聲源(包括217Hz)的靈敏性。
　　瞬態(tài)響應(yīng)和壓降
　　PSRR并不是確保音頻輸出端聽不到噪聲的唯一指標(biāo)。線性穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)特性、也就是穩(wěn)壓器在電源或負(fù)載突變情況下使輸出電壓保持在理想穩(wěn)定值的能力也非常重要。
　　假設(shè)Vin是輸入電壓，Vout是輸出電壓，Voutreg是穩(wěn)定的輸出電壓，以下是需要考慮的一些要點(diǎn)：
　　假設(shè)Vdrop=穩(wěn)壓器的最小壓降(Vin和Vout之間的最小壓差)
　　◎線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)被設(shè)計(jì)用來(lái)在輸入電壓變化時(shí)以較高的PSRR保持固定的輸出電壓。
　　◎當(dāng)Vin>Voutreg Vdrop時(shí)，線性穩(wěn)壓器正常工作，比如以70dB的PSRR輸出穩(wěn)定電壓。
　　◎當(dāng)VinVoutreg Vdrop時(shí)，線性穩(wěn)壓器不再調(diào)節(jié)輸出電壓，Vout=Vin-Vdrop，PSRR=0dB，輸出電壓將跟隨輸入電壓變化。
　　因此，線性穩(wěn)壓器只有在Vin>Voutreg Vdrop條件滿足時(shí)才具有較高的PSRR。
　　考慮如圖2所示的案例，其中線性穩(wěn)壓器在3.6V的鋰離子電池和要求穩(wěn)定的2.8V電壓的模擬模塊之間提供接口。

從圖2可以看到，電池電壓的500mV瞬變將如何依據(jù)線性穩(wěn)壓器的有效壓降轉(zhuǎn)移到LDO輸出端。第1行的線性穩(wěn)壓器(藍(lán)色實(shí)線)具有小于100mV的壓降，因此它保持在穩(wěn)壓狀態(tài)。相反，第2行的線性穩(wěn)壓器(紅色虛線)不能維持這樣的壓降，因?yàn)樗筝斎牒洼敵鲭妷褐g至少有400mV的壓差。
　　結(jié)論2：對(duì)壓降非常小的線性穩(wěn)壓器要求更加嚴(yán)格，因?yàn)殡姵仉妷弘S著時(shí)間的推移會(huì)降低，比如降至2.9V。在整個(gè)電池電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定電壓很重要，由此得到的結(jié)論是壓降越低，電池有效供電時(shí)間就越長(zhǎng)。
　　錯(cuò)誤理解PSRR指標(biāo)
　　具有400mV壓降指標(biāo)的線性穩(wěn)壓器是很常見的。甚至這種線性穩(wěn)壓器規(guī)定的PSRR指標(biāo)為85dB，但如果輸入電壓低于3.0 0.4=3.4V(圖2中的穩(wěn)壓器例子)，該穩(wěn)壓器就無(wú)法濾除任何噪聲，在這種情況下它的PSRR實(shí)際值為0dB!
　　如圖2所示，2號(hào)穩(wěn)壓器的輸出端呈現(xiàn)的殘留TDMA噪聲在幾百個(gè)mV，無(wú)法用PSRR指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。
　　結(jié)論3：為了評(píng)估線性穩(wěn)壓器輸出端的殘留噪聲，還必須考慮有效壓降。
　　為了有助于SoC設(shè)計(jì)者比較兩個(gè)線性穩(wěn)壓器，必須給出最大電流時(shí)的壓降值。這樣能確保線性穩(wěn)壓器得到正確的校準(zhǔn)，以便驅(qū)動(dòng)指定負(fù)載，并在所有工作條件下能正確抑制來(lái)自輸入電壓的噪聲。