介紹影響噪聲性能的蜂窩電話聽筒問題。電源布局改進(jìn)可減少噪聲問題。線性穩(wěn)壓器用于降低低頻時的噪聲。功率放大器偏置將噪聲調(diào)制到RF輸出端。解釋了低壓差穩(wěn)壓器輸出噪聲。

為了最好地處理手機(jī)噪聲問題，您應(yīng)該了解手機(jī)的噪聲耦合機(jī)制、噪聲敏感電路節(jié)點和噪聲產(chǎn)生電路。

圖1.開關(guān)模式和線性穩(wěn)壓器可干凈高效地分配電源。

現(xiàn)代手持式蜂窩無線電收發(fā)器幾乎不可能完成的任務(wù)是在眾多不需要的信號中選擇和解調(diào)所需信號。對于典型的蜂窩無線電，所需的信號幅度可能僅為0.35 μV，比附近無用信號的幅度低100dB以上。為了將該信號放大到適合解調(diào)的水平，蜂窩無線電通常包含增益超過80dB的中頻（IF）部分。

為了滿足所需的誤碼率（BER），必須了解和管理系統(tǒng)的電氣噪聲。屏蔽和過濾是有效的，但這些措施給消費(fèi)者手機(jī)帶來了額外的重量、尺寸、熱量和成本，同時縮短了電池壽命。作為一種更好的方法，您可以從一開始就設(shè)計系統(tǒng)，以便已知的噪聲頻譜不會干擾無線電的性能。管理蜂窩手機(jī)中的噪聲需要了解：

噪聲傳播機(jī)制

噪聲靈敏度最高的點

噪聲產(chǎn)生電路

蜂窩電話聽筒

數(shù)字蜂窩電話由射頻、數(shù)字和模擬電路組成，是封裝、人機(jī)界面和節(jié)能考慮的奇跡。RF部分由濾波器、低噪聲放大器、混頻器、功率放大器（PA）和頻率合成器組成。混合模式ASIC連接到來自發(fā)送和接收部分的IF信號。

混合模式ASIC與包含數(shù)字信號處理器（DSP）和系統(tǒng)控制處理器的數(shù)字ASIC協(xié)同工作，通常包含用于調(diào)制和解調(diào)IF信號的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)控制處理器通常管理對手機(jī)操作至關(guān)重要的人機(jī)界面和智能電源管理任務(wù)。

配電子系統(tǒng)管理電池組（在本例中為單個鋰離子[Li+]電池），并將工作電壓和電流分配給整個手機(jī)。Li+電池具有強(qiáng)制性保護(hù)電路，可防止電流或電壓過高造成的災(zāi)難性損壞。手機(jī)還可以包括開關(guān)模式電源（SMPS），將電池電壓升壓到適合功率放大器的水平。

新型低壓ASIC可以從小型降壓SMPS接收電源，其余RF和模擬電路可由線性低壓差穩(wěn)壓器供電。各種調(diào)節(jié)器在處理器控制下關(guān)閉和打開，將手機(jī)置于特定無線系統(tǒng)（例如GSM或IS-95）所需的各種操作模式。再加上對電池中剩余電量的準(zhǔn)確了解，這種電源管理技術(shù)可實現(xiàn)盡可能長的電池壽命。

噪聲傳播機(jī)制

傳導(dǎo)和輻射是噪聲從噪聲發(fā)生器傳播到噪聲接收器的兩種方法。導(dǎo)通模式通過導(dǎo)線、印刷電路走線或平面、金屬機(jī)箱或電容器等電氣元件引導(dǎo)噪聲。輻射通過空氣或通過電介質(zhì)（例如FR4電路板材料）傳遞噪聲能量。傳導(dǎo)噪聲可以用傳統(tǒng)的電路技術(shù)濾除;輻射噪聲通常通過屏蔽最小化。

系統(tǒng)中的傳導(dǎo)噪聲在找到有效的“天線”后通常會變成輻射噪聲。眾所周知，傳導(dǎo)噪聲存在于特定的導(dǎo)體上，使您能夠僅在需要時應(yīng)用濾波，但輻射噪聲往往會滲透到系統(tǒng)中并無處不在。雖然系統(tǒng)通常通過額外的屏蔽、導(dǎo)電涂層和墊圈來控制輻射噪聲，但如果通過適當(dāng)?shù)腜C布局和濾波將噪聲限制在導(dǎo)電模式內(nèi)，則這些措施是不必要的。因此，最好的方案是將噪聲保持在傳導(dǎo)模式，不讓它輻射。

圖2.對于 IS136 和 GSM 等突發(fā)系統(tǒng)，儲能電容器和升壓轉(zhuǎn)換器可將電池上的大瞬變降至最低。

功率放大器

PA通過從電源吸收大電流來產(chǎn)生噪聲。一個3.6V、效率為50%的PA，其信號在到達(dá)天線之前面臨3dB的損耗，可以從單個Li+電池吸收600mA至800mA電流。這種大電源電流流過Li+連接器、PCB走線和接地回路中的電阻，從而在整個手機(jī)的電源線上產(chǎn)生更大的噪聲。

對于使用 GSM 和 IS-136 TDMA 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的突發(fā)傳輸模式的系統(tǒng)，問題更加復(fù)雜。通過僅在短時間間隔內(nèi)打開PA，突發(fā)模式會對電源和配電子系統(tǒng)施加嚴(yán)重的瞬變。

為突發(fā)模式系統(tǒng)中使用的PA供電的一種常用方法是提高電源電壓，從而降低峰值電流，最大限度地降低噪聲，并允許使用更常見且成本更低的PA技術(shù)。盡管如此，由于需要提供峰值電流，仍會導(dǎo)致升壓轉(zhuǎn)換器被過度指定。更好的解決方案是將升壓的能量存儲在大電容器上。然后，升壓轉(zhuǎn)換器只需在發(fā)射器突發(fā)之間補(bǔ)充電容上的電荷。典型的發(fā)射器占空比約為12%。

PA功率問題似乎已經(jīng)解決，但仍然存在典型DC-DC轉(zhuǎn)換器的行為：當(dāng)它檢測到電容電壓下降時，它會嘗試盡快補(bǔ)充電荷，從Li+電池吸取電流浪涌，從而帶回噪聲問題。針對此問題的獨(dú)特解決方案（使用大電容器為GSM/TDMA發(fā)射器供電）被集成在為此目的設(shè)計的某些芯片中。

MAX1687和MAX1688為升壓電源轉(zhuǎn)換器，可通過電池峰值電流限制或自適應(yīng)限流算法為儲能電容充電，均由用戶設(shè)置。因此，電容器和電源轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作，以保持高效的功率轉(zhuǎn)換，同時最大限度地減少流向PA的大電流浪涌可能造成的系統(tǒng)中斷。為了進(jìn)一步控制噪聲，這些芯片允許在發(fā)射突發(fā)期間禁用其內(nèi)部SMPS。

PA 偏見

功率放大器對偏置電壓變化也很敏感。GaAs-FET PA上的偏置電壓控制偏置電流，偏置電流設(shè)置PA的增益和輸出阻抗。因此，偏置引腳是一個幅度調(diào)制輸入。砷化鎵PA上出現(xiàn)的噪聲在RF輸出端顯示為包絡(luò)變化，將低頻噪聲信號轉(zhuǎn)換為RF，RF將通過系統(tǒng)并與所需信號一起從天線輻射。

GaAs PA使用耗盡模式MOSFET，當(dāng)從源極到漏極施加電壓時，該MOSFET傳導(dǎo)最大漏極電流，而沒有柵極偏置。為了控制漏極電流，柵極電位必須為負(fù)（低于地電位）。一種方法是使用反相電荷泵（如MAX871）產(chǎn)生負(fù)柵極偏置，但產(chǎn)生的偏置未經(jīng)穩(wěn)壓，并且包含來自電荷泵工作的強(qiáng)開關(guān)噪聲。

圖3.MAX881R的互鎖功能可保護(hù)砷化鎵PA免受破壞。

您可以使用無源濾波組件將這種噪聲降至最低，但它們的尺寸可能令人望而卻步。此外，未穩(wěn)壓輸出會改變PA的增益和輸出阻抗，以至于輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)迫使系統(tǒng)低效運(yùn)行并浪費(fèi)功率。為了產(chǎn)生穩(wěn)定、安靜且定義明確的偏置電壓，通常的做法是，在電荷泵之后使用反相基準(zhǔn)電壓源的運(yùn)算放大器。雖然靈活，但這種方法不會產(chǎn)生物理上最小的電路。

用于產(chǎn)生PA偏置的最小電路是MAX881，它集成了反相電荷泵和負(fù)穩(wěn)壓器，采用微型10引腳μMAX封裝。砷化鎵PA的所有常見偏置問題都在這款小型低功耗IC中得到解決。在正常工作條件下，其輸出噪聲和紋波（~1mVQ-1）足夠低，可以防止在PA的RF輸出端出現(xiàn)不需要的噪聲邊帶。MAX881還可檢測負(fù)偏置電壓的存在，表明當(dāng)施加PA的主電源電壓時，漏極電流將得到控制。結(jié)果是一個安全聯(lián)鎖，可防止PA意外損壞。

鎖相環(huán)頻率合成器

在許多手機(jī)中，第一個本振（LO）由鎖相環(huán)（PLL）頻率合成器產(chǎn)生。對于 AMPS 手機(jī)，壓控振蕩器 （VCO） 必須在 30MHz 附近的 ±12.5MHz 范圍內(nèi)調(diào)諧 880kHz 步進(jìn)。 （實際 VCO 產(chǎn)生的頻率被第一個 IF 偏移。如果假設(shè)PLL電路工作在3V，則整個25MHz調(diào)諧范圍應(yīng)由2V調(diào)諧電壓（控制電壓）覆蓋。兩伏電壓提供了一個裕量，可確保PLL不會因瞬態(tài)或溫度漂移而飽和。

VCO 增益為 25MHz/2V 或 12.5MHz/V。如此高的增益使得VCO對控制線上出現(xiàn)的小噪聲電壓非常敏感。如果鑒相器和VCO在高增益PLL中相距甚遠(yuǎn)，它通常會拾取輻射噪聲，需要屏蔽電纜來保留VCO的噪聲頻譜。通過其他路徑進(jìn)入的許多干擾也會調(diào)制PLL中的VCO：

電源噪聲，注入包含鑒相器的PLL芯片中。

注入VCO的電源噪聲。

傳遞到有源積分器或環(huán)路濾波器輸出端的電源噪聲（檢查運(yùn)算放大器的PSRR以估計此影響）。

晶體振蕩器（TCXO/VCTCXO）上的噪聲。超高Q值電路中的振蕩器信號應(yīng)該是干凈且無噪聲的，但過多的電源噪聲會提高振蕩器的本底噪聲。由于PLL將環(huán)路帶寬內(nèi)的噪聲乘以PLL分頻比（AMPS手機(jī)為~30，000），因此頻率合成器對TCXO的噪聲非常敏感。

VCO輸出負(fù)載阻抗變化引起的噪聲，該阻抗反射回VCO并拉動其工作頻率。

圖4.通過在基準(zhǔn)電壓源上增加一個旁路電容（CB），可以降低LDO穩(wěn)壓器的輸出噪聲。

對于環(huán)路帶寬將噪聲頻譜調(diào)整為介于直流和500kHz之間的系統(tǒng)，第1項至第4項可以通過無源濾波得到改善。頻率合成器應(yīng)由獨(dú)立的低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器供電，以避免從電源傳導(dǎo)的噪聲。然而，對于現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)，電源調(diào)制引起的殘余相位噪聲太大。LDO穩(wěn)壓器為頻率合成器提供干凈且穩(wěn)定的電源電壓，但也會產(chǎn)生噪聲。

寬帶噪聲源

LDO穩(wěn)壓器（由基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器和串聯(lián)調(diào)整管組成的閉環(huán)系統(tǒng)）由于其執(zhí)行的功能而可以成為寬帶噪聲源。基準(zhǔn)電壓源可能具有很大的噪聲成分，誤差放大器也是如此。將該噪聲與系統(tǒng)增益電平（在2Hz至3MHz帶寬內(nèi)典型值為10倍至1倍）相結(jié)合，使MAX8863 LDO的輸出噪聲電平為350μV有效值.您可以在基準(zhǔn)電壓源放大基準(zhǔn)噪聲之前降低此噪聲低通濾波器。

低噪聲LDO穩(wěn)壓器（MAX8877）將基準(zhǔn)電壓引入封裝引腳，通過在封裝引腳增加一個電容，將噪聲旁路至地。例如，一個 0.01μF 電容器可將輸出噪聲降至 30μV有效值在 10Hz 至 100kHz 帶寬上。這種改進(jìn)可以將900MHz時的PLL噪聲降低10dB至20dB。

LDO 還用于將手機(jī)的各個部分彼此隔離。在LDO帶寬內(nèi)，MAX8877抑制10kHz×60dB的電源噪聲。就PCB面積而言，這種抑制是劃算的（IC采用SOT23封裝）。在低頻下提供相同濾波器作用的無源元件將是大而巨大的。因此，低噪聲LDO非常適合用于現(xiàn)代數(shù)字手機(jī)，其市場不斷要求更小的尺寸和成本。

提高效率

開關(guān)模式電源在現(xiàn)代移動電話中占有一席之地，最新的SMPS IC具有小尺寸、高效率、低壓差、小型外部元件和噪聲控制特性。例如，MAX1692是一款降壓型電源轉(zhuǎn)換器，采用脈寬調(diào)制（PWM）和同步整流，獲得90%的效率和低噪聲、可預(yù)測的噪聲頻譜。該器件采用單節(jié)Li+電池工作，產(chǎn)生3V至4.2V電壓，可產(chǎn)生低至1.25V的電源電壓，用于為現(xiàn)代手機(jī)中使用的大型ASIC供電。

為了控制來自高增益RF部分（如IF部分）發(fā)出的干擾，MAX1692可以與外部晶體控制時鐘同步（頻率在500kHz至1MHz之間），如TCXO產(chǎn)生的時鐘。高頻操作對于使用小型外部元件和噪聲頻譜規(guī)劃至關(guān)重要。

圖5.兩個電流環(huán)路在降壓SMPS中產(chǎn)生噪聲。

開關(guān)模式電源產(chǎn)生噪聲頻譜，其中最低頻率是開關(guān)模式電源的基波開關(guān)頻率。諧波之間的間距等于這個基波，但頻譜的其他方面很難預(yù)測。諧波之間的噪聲功率分布是波形（相對于時間）、電流電平、電感值、電容器值和PCB布局的函數(shù)。

開關(guān)噪聲可以在輸入、輸出和接地線上傳導(dǎo)，也可以由PCB走線輻射。應(yīng)始終將SMPS傳導(dǎo)的紋波和噪聲降至最低，即使添加濾波器網(wǎng)絡(luò)以減少傳導(dǎo)噪聲實際上會增加輻射噪聲。這種噪聲從布局中輻射出來，然后在整個系統(tǒng)中有效地傳播，似乎來自任何地方。

為了最好地處理手機(jī)噪聲問題，您應(yīng)該了解手機(jī)的噪聲耦合機(jī)制、噪聲敏感電路節(jié)點和噪聲產(chǎn)生電路。升壓功率轉(zhuǎn)換器和大電容可將GSM/TDMA系統(tǒng)中PA瞬變產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲降至最低。SMPS的輻射噪聲在很大程度上取決于PC布局，新穎的原理圖可以指導(dǎo)布局，實現(xiàn)首次成功。小型線性穩(wěn)壓器提供有源噪聲濾波，通過基準(zhǔn)旁路，可以產(chǎn)生頻率合成器所需的極低噪聲水平。最后，將IF放置在電源噪聲諧波之間的安靜區(qū)可以消除破壞現(xiàn)代數(shù)字手機(jī)誤碼率的信號污染。

不要被誤導(dǎo)

典型降壓開關(guān)模式電源的原理圖有助于很好地理解電路工作原理。不幸的是，它還指導(dǎo) PC 板布局人員為 PC 板制作有缺陷的平面圖。請考慮下面的 SMPS 操作。

圖6.改進(jìn)的SMPS原理圖有助于改善布局并降低噪聲。

當(dāng)電源開關(guān)元件（S1）閉合時，電流從C1流經(jīng)S1流向電感（L1）并進(jìn)入C2，通過接地路徑返回C1（-）端子。當(dāng)S1斷開時，Vx變?yōu)榈碗娖剑钡?a target="_blank">二極管（D1）導(dǎo)通。環(huán)流的路徑現(xiàn)在是D1到L1到C2，然后再回到D1。輻射噪聲功率由電流和環(huán)路的輻射電阻控制：

PαI2（A2 / λ4),

其中P為輻射噪聲功率，A為電流環(huán)路面積，I為電流，λ為波長。在任何給定波長（頻率）下，輻射噪聲功率由環(huán)路面積與環(huán)流的乘積的平方增加。因此，使用標(biāo)準(zhǔn)SMPS原理圖通常提供PCB布局，其環(huán)路面積會產(chǎn)生高水平的傳導(dǎo)和輻射噪聲。結(jié)果是浪費(fèi)時間迭代 PC 板布局以試圖控制這種噪音。

為了首次成功，請嘗試重新繪制原理圖，強(qiáng)調(diào) C1、D1 和 C2 接地連接需要物理接近。這樣的布局從一開始就實現(xiàn)了低噪音運(yùn)行。假設(shè)您有一個干凈且優(yōu)化的 PC 板布局，您應(yīng)該檢查工作頻率以確定其與無線電接收器的 IF 和 IF 帶寬的關(guān)系。如果中頻帶寬小于SMPS工作頻率，則應(yīng)將中頻置于SMPS諧波之間的“安靜區(qū)”。一旦完成，即使系統(tǒng)中存在噪聲，SMPS噪聲也不會污染高增益IF部分，因為IF通帶將沒有能量成分。為了進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇和權(quán)衡，應(yīng)在無線電的頻率規(guī)劃階段早期考慮這些噪聲規(guī)劃步驟。

審核編輯：郭婷