- 手機音頻系統中ESD及EMI的起因及結果
- 手機中音頻系統的抗ESD和EMI干擾設計
- 使用ESD干擾抑制器和EMI濾波器
- 離散解決方案
- 低溫共燒陶瓷(LTCC)和變阻器解決方案
- 集成被動和主動設備
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本文介紹了手機音頻系統中ESD及EMI的起因及結果，接著研討了ESD干擾抑制器和EMI濾波器的使用，以避免這些威脅。最后，比較了當前三種解決方案。
現代材料和技術引起靜電放電(ESD)和電磁干擾(EMI)，并成為經常存在的危險。我們的穿著和我們接觸的物品會引起靜電放電。數字技術已有電磁干擾。靜電放電會破壞手機里的電子部件。手機容易替換，但對用戶的傷害很大。手機電路設計者必須確保采取必要的措施，以消除ESD的破壞。
在音頻電路中如有電磁干擾(EMI)，會出現嘶嘶、噼啪、嗡嗡等聲音，聲音質量很差。手機用戶無法忍受這樣的干擾。因此，必須設法過濾音頻電路的電磁干擾。
1 靜電放電——起因、結果和抑制
1.1 靜電放電的起因
差不多每個人都經歷過靜電流的影響。當我們還是史前石器時代的穴居人時，我們已在閃電中見到過它。當然，它今天仍是重大的威脅，各處都有。用塑料梳子梳頭，可看到靜電荷的產生。將你的手臂靠近電視機的屏幕，你會看到你手臂上的汗毛豎起來。這也是靜電效應。
當你打開車門，從你的車中走出，你也許會感受到一陣電擊，它來自靜電釋放。隨著家里和工作地點擁有越來越多的電器設備，靜電已是一種持續的危險。制造或維修電氣設備的人們要保護自己和工作用的設備，他們將自己與設備連接，用以避免電器設備靜電放電造成的傷害。
1.2 靜電放電的結果
我們能看到閃電打擊建筑物和樹，它具有破壞力。如果電子電路的ESD保護不是最優，即使是很少的放電，也會破壞靈敏的電子電路，這是人們已探測到的。手機 具有一定的ESD保護。音頻電路的外部連接是ESD最常見的來源。簡單地插入耳機及擴音器，這也許意味著手機將受ESD的影響。
如圖1所示，電子部件受ESD影響時，會發生什么?會產生一個細微的孔，氧化物將侵擾部件。
圖1 受ESD影響，氧化物沖進一個小孔
1.3 靜電放電的抑制
與所有的商品相同，手機必須根據IEC61000-4-2條例鑒定其ESD。條例規定：手機可抵抗15 kV空氣放電(通過330Ω／150 pF)，即大約不小于1毫微秒穿過45 A電流。在這種情況下，手機應能繼續工作，沒有被破壞。上述是一個高能量脈沖與ESD人體模型實驗的比較情況。為了保護主芯片，在每一潛在的ESD入口點都必須添加額外的ESD保護。一般來說，抑制ESD的設備生成可控輸出，稱作箝位電壓。
圖2所示的是一次ESD事件中，ESD保護設備的輸出(箝位電壓)。
2 電磁干擾EMI——起因、結果及濾波器
2.1 EMI的起因
電流流動，在導體周圍產生磁場。電流變化，磁場會隨之變化。所以，簡單地開關電流，即會產生磁場的變化。磁場的變化可引發附近其他導體產生信號。上述是基本的電學原理。
家庭用電和工業用電均使用50Hz或60Hz交流電。這是聽得見的頻率范圍。電流持續不斷地變化，附近相同頻率的導體將產生信號。如果你使用過Hi-Fi，使用獨立的播放器和擴音器，而同時它們底盤未連接在一起，你將聽到嗡嗡聲。
思考當今電子世界，到處信號持續不斷地變化：
- 音頻的輸入／輸出能產生輻射及傳導EMI，然后發射更高頻率的射頻線，導致信號失真。
- 手機天線(TDMA脈沖)會發射射頻信號，此信號可被長線頭戴式耳機接收，導致音頻信號通路中EMI噪音。
GSM(全球通)手機標準使用頻分多路傳輸和時分多路傳輸，同時傳送大量電話，如圖3所示。
特定的手機只在屬于它的時間空當發射。包絡信號的基本頻率是1／4.615 ms=217Hz。諧波頻率為434Hz、651Hz等。如此頻率是聽得到的。如圖4所示，為手機的包絡信號。
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2.2 EMI的結果
當手機與基站通訊，或兩個手機彼此接近時，發射脈沖通過擴音器，揚聲器，或頭戴式耳機線傳人音頻通路。見圖5。
結果是音頻質量大幅降低。
2.3 EMI濾波器
EMI濾波器盡可能地接近EMI干擾的切入點，這樣盡可能保證音頻質量。如圖6。
濾波器的選擇應根據它的帶寬，截止頻率及阻帶抑制特點。另一創建高質量聲音的因素是總諧波失真度(THD)。不好的THD可毀壞其它極好的音頻系統的聲音質量。比較理想的是；EMI濾波器的THD值好于最弱的信號鏈。
具有代表性的特點：
- 800-2480 MHz頻率帶的阻帶衰減不小于-25 dB
- 10-800 MHz頻率帶的阻帶衰減不小于-20dB
- MIC線不小于-70 dB(A)THD+N(0.03％)，可提供高質量音頻。
3 考慮電路板空間
手機集成了越來越多的多媒體功能，例如：GPS，MP3，FM，藍牙，及DVB-H。這些功能均要求額外的電路板空間。設計者必須為ESD及EMI解決方案擠出空間。
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4 三種解決方案的比較
市場中的一些解決方案并沒有提供完善的方法。圖7中有三種可能的解決方案。
4.1 離散解決方案
這種解決方案采用24個分立部件，組成ESD抑制器和EMI濾波器。此方案不是最優化。它工作的費用和可靠性受24個分立部件制約。
4.2 低溫共燒陶瓷(LTCC)和變阻器解決方案
低溫共燒陶瓷(LTCC)EMI濾波器可以很好地完成濾波需求。但是，變阻器具有高的箝位電壓(最大VCL>100V)。因而沒有提供最優化的靈敏亞微型芯片ESD保護。
4.3 集成被動和主動設備
這一技術將保護二極管和被動元件相結合，如集成電路硅芯片中的電阻和高密度電容。與前兩個解決方案比較，IPAD解決方案的優點如下：
- 可完成所有ESD抑制和EMI濾波器需求。
- 可節省大量的電路板空間(大約78％)
- 因使用天然硅設備，可提供更顯著的可靠性和更低的運作成本。
5 結論
這篇文章介紹了手機音頻界面中ESD和EMI的起因及潛在結果，并大致講述了ESD抑制及EMI濾波器的需求。比較可用的集成ESD保護及EMI濾波器的解決方案，可提供最好的ESD保護(最低的VCL)及最好的阻帶衰減，還可提供其他有利條件，例如：更好的可靠性和更低的運作費用。
