影响手机音频质量的PSRR和电源噪声

中心议题：

分析影响手机音频质量的PSRR

分析影响手机音频质量的电源噪声

解决方案：

在输入电压变化时以较高的PSRR保持固定的输出电压

在整个电池电压范围内保持稳定电压

不管手机网络模式是GSM还是TDMA，RFtransmitter的开关动作都会给电源带来严重的噪声，因为射频功放的开关频率为217Hz。功放在每次开关时都会从电源吸取很大的电流(典型情况下高达1.7A)，使得电池等效串联电阻(ESR)上将产生高达500mV的突发压降(见图1)。

　
　　对于嵌入了高分辨率音频转换器和音频放大器的SoC设计或者高灵敏的MEMS来说，这种变化将危害SoC的总体性能，特别是音频质量将受到严重影响，会听得到嗡嗡的噪声。
　　这种噪声的特点是可听得见，因为它不是随机的噪声。事实上，幅度低至10mv的噪声如果以一个固定速率发生就可以被人耳听见。这种噪声比更大幅度的随机噪声更让人讨厌。
　　防止GSM噪声降低音频质量的最佳方法，就是使用具有很低压降(LDO)和低输出噪声的线性稳压器(LR)从锂离子电池直接给音频放大器供电。这种LDO线性稳压器用作放大器电源的“清理”或滤波模块。
　　选择最佳线性稳压器以防止GSM噪声的关键标准，是稳压器抑制来自输入电压的噪声的能力，表示为电源抑制比(PSRR)。但PSRR指标还应与线性稳压器的瞬态响应和压降特性结合在一起考虑。
　　电源抑制比
　　PSRR代表了稳压器在输入电压变化时保持输出电压稳定的能力。PSRR必须在一定的频率范围(当然包括关键的217Hz值)和稳压器设计的最大输出电流条件下加以规定。事实上，即使稳压器达到最大负载要求(压降最大)时抑制能力也必须得到确保。通常PSRR性能是在10kHz频率点定义的，可能无法正确反映所期望的217Hz点噪声抑制性能。
　　结论1：PSRR指标必须在一个完整的频率范围内进行分析，以正确计算稳压器对任何可能的噪声源(包括217Hz)的灵敏性。
　　瞬态响应和压降
　　PSRR并不是确保音频输出端听不到噪声的唯一指标。线性稳压器的瞬态响应特性、也就是稳压器在电源或负载突变情况下使输出电压保持在理想稳定值的能力也非常重要。
　　假设Vin是输入电压，Vout是输出电压，Voutreg是稳定的输出电压，以下是需要考虑的一些要点：
　　假设Vdrop=稳压器的最小压降(Vin和Vout之间的最小压差)
　　◎线性稳压器设计被设计用来在输入电压变化时以较高的PSRR保持固定的输出电压。
　　◎当Vin>Voutreg Vdrop时，线性稳压器正常工作，比如以70dB的PSRR输出稳定电压。
　　◎当VinVoutreg Vdrop时，线性稳压器不再调节输出电压，Vout=Vin-Vdrop，PSRR=0dB，输出电压将跟随输入电压变化。
　　因此，线性稳压器只有在Vin>Voutreg Vdrop条件满足时才具有较高的PSRR。
　　考虑如图2所示的案例，其中线性稳压器在3.6V的锂离子电池和要求稳定的2.8V电压的模拟模块之间提供接口。

从图2可以看到，电池电压的500mV瞬变将如何依据线性稳压器的有效压降转移到LDO输出端。第1行的线性稳压器(蓝色实线)具有小于100mV的压降，因此它保持在稳压状态。相反，第2行的线性稳压器(红色虚线)不能维持这样的压降，因为它要求输入和输出电压之间至少有400mV的压差。
　　结论2：对压降非常小的线性稳压器要求更加严格，因为电池电压随着时间的推移会降低，比如降至2.9V。在整个电池电压范围内保持稳定电压很重要，由此得到的结论是压降越低，电池有效供电时间就越长。
　　错误理解PSRR指标
　　具有400mV压降指标的线性稳压器是很常见的。甚至这种线性稳压器规定的PSRR指标为85dB，但如果输入电压低于3.0 0.4=3.4V(图2中的稳压器例子)，该稳压器就无法滤除任何噪声，在这种情况下它的PSRR实际值为0dB!
　　如图2所示，2号稳压器的输出端呈现的残留TDMA噪声在几百个mV，无法用PSRR指标进行预测。
　　结论3：为了评估线性稳压器输出端的残留噪声，还必须考虑有效压降。
　　为了有助于SoC设计者比较两个线性稳压器，必须给出最大电流时的压降值。这样能确保线性稳压器得到正确的校准，以便驱动指定负载，并在所有工作条件下能正确抑制来自输入电压的噪声。