PSRR以及其它電源因素對手機(jī)音頻質(zhì)量的影響

不管手機(jī)使用的網(wǎng)絡(luò)是GSM還是TDMA，RF發(fā)送器的開關(guān)動作都會產(chǎn)生嚴(yán)重影響電源的噪聲，因為射頻功放的開關(guān)頻率為217Hz。功放在每次開關(guān)時都會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)。



圖1

對于嵌入了高分辨率音頻轉(zhuǎn)換器和音頻放大器的SoC設(shè)計或者高靈敏的MEMS來說，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，會聽得到嗡嗡的噪聲。

這種噪聲的特點是可聽得見，因為它不是隨機(jī)的噪聲。事實上，幅度低至10mv的噪聲如果以一個固定速率發(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”或濾波模塊。

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)計的最大輸出電流條件下加以規(guī)定。事實上，即使穩(wěn)壓器達(dá)到最大負(fù)載要求(壓降最大)時抑制能力也必須得到確保。通常PSRR性能是在10kHz頻率點定義的，可能無法正確反映所期望的217Hz點噪聲抑制性能。

結(jié)論1：PSRR指標(biāo)必須在一個完整的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行分析，以正確計算穩(wěn)壓器對任何可能的噪聲源(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：

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)計被設(shè)計用來在輸入電壓變化時以較高的PSRR保持固定的輸出電壓。

◎ 當(dāng)Vin > Voutreg + Vdrop時，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)Vin < Voutreg + Vdrop時，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。



圖2

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，因為它要求輸入和輸出電壓之間至少有400mV的壓差。

結(jié)論2：對壓降非常小的線性穩(wěn)壓器要求更加嚴(yán)格，因為電池電壓隨著時間的推移會降低，比如降至2.9V。在整個電池電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定電壓很重要，由此得到的結(jié)論是壓降越低，電池有效供電時間就越長。

錯誤理解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)壓器就無法濾除任何噪聲，在這種情況下它的PSRR實際值為0dB!
如圖2所示，2號穩(wěn)壓器的輸出端呈現(xiàn)的殘留TDMA噪聲在幾百個mV，無法用PSRR指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測。

結(jié)論3：為了評估線性穩(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)計者比較兩個線性穩(wěn)壓器，必須給出最大電流時的壓降值。這樣能確保線性穩(wěn)壓器得到正確的校準(zhǔn)，以便驅(qū)動指定負(fù)載，并在所有工作條件下能正確抑制來自輸入電壓的噪聲。