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音频线路噪音滤波器的各类解决方案指南

发布时间:2020-02-14 责任编辑:wenwei

【导读】智能手机的扬声器、耳机等音频线等线路中会辐射出电磁噪音,若不采取对策,该噪音会对内置天线造成干扰,从而使接收灵敏度降低,因此一般情况下会插入片式磁珠抑制噪音。然而,片式磁珠虽然可有效抑制噪音,但对于音频线可能会造成声音失真等问题。因此,TDK通过全新的产品理念开发了音频线路噪音滤波器MAF系列作为解决方案。由于蜂窝频段的噪音衰减效果优异,因此可大幅改善接收灵敏度,同时还可解决因以往插入抑制元件导致的音质劣化问题。此外,对于用于智能手机等的D类扬声器谐波对策也十分有效。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037635
 
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// 为什么音频线的噪音抑制十分重要?
 
图1所示为智能手机音频线的方框图。在智能手机中,用于扬声器的功率放大器内使用有D类放大器等数码放大器。D类放大器也被称为开关放大器,是通过使用开关器件(MOSFET等)的PWM(脉冲宽度调频)技术,将音频输入信号转换为脉冲信号之后,恢复至模拟信号,再将其输出至扬声器的方式。然而,由于脉冲信号带有较多谐波成分,在不采取任何对策的情况下连接D类放大器与扬声器的配线会成为天线并辐射出电磁噪音,从而会对内置天线产生干扰,使接收灵敏度发生劣化。这也就是所谓的"自体中毒"问题。由于D类放大器体积小,电力效率十分优异,因此应用于趋于多功能化以及耗电量不断变大的智能手机等设备中,以延长电池的续航时间。耳机线产生的噪音也会导致发生该接收灵敏度的劣化问题。
 
此外,以往所采用的音频线噪音对策会使音频信号波形发生失真,从而导致声音失真等问题。现在,支持"高解析"的智能手机以及耳机等Hi-Fi音频不断受到瞩目,因此人们要求同时解决音频线中的接收灵敏度劣化问题以及声音失真问题的解决方案。
 
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图1:智能手机音频线的方框图以及"自体中度"问题与声音失真问题
 
// 通过片式磁珠抑制噪音的问题点
 
为抑制从音频线中辐射出的噪音,一般会在D类放大器的输出段插入片式磁珠。这是通过积层工艺等方式在铁氧体元件体内形成线圈的片式元件。片式磁珠的阻抗以线圈的电抗成分以及交流电阻成分表示。在低频率范围中,主要由电抗成分发挥作用,发射噪音,而在高频率范围中,则主要由交流电阻成分发挥作用,吸收噪音并转换为热能。与片式磁珠特性紧密相关的是铁氧体。在大电流流过的电源系统中会使用交流电阻成分较大的片式磁珠。智能手机的扬声器线中也会流过较大的电流。然而,交流电阻成分较大的片式磁珠会导致声音失真的情况加剧,而使用以往铁氧体材料的片式磁珠很难在去除噪音的同时将声音失真控制在低水平。
 
// 使用独特低失真铁氧体材料实现产品化的噪音滤波器
 
为了解决片式磁珠中这一难以解决的问题,TDK通过使用长期积累的材料设计等技术,全新开发了能够在维持去除噪音特性的同时,实现低失真的铁氧体材料。此外,基于全新的产品理念,同时还开发出了针对智能手机等音频线进行噪音抑制的积层片式元件。这就是音频线路噪音滤波器MAF系列。
 
图2所示为噪音滤波器MAF系列与片式磁珠的特性比较。噪音滤波器MAF系列是一款具有独特定位的产品,它可以在保持优异噪音除去效果的同时,实现低失真特性。
 
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图2:噪音滤波器MAF系列与片式磁珠的特性比较
 
// 提供根据用途进行优化的G型、F型产品
 
TDK的音频线路噪音滤波器MAF系列可提供1608尺寸(L1.6×W0.8mm)的G型、F型产品以及1005尺寸(L1.0×W0.5mm)的G型产品(2016年8月)。G型产品为LTE等主要蜂窝频段(700MHz~2GHz),拥有高衰减特性,通过插入扬声器线或耳机线内,可大幅改善接收灵敏度。F型产品用于扬声器线中,通过插入D类放大器输出段,对除去谐波噪音拥有优异效果。
 
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// 解决方案① 提高接收灵敏度及THD+N特性
 
以下就音频线路噪音滤波器MAF系列的优异特性以及运用示例进行具体说明。图3是将MAF1608F与MAF1608G用于扬声器线,将MAF1608G用于接收器(耳机)线时的方框图。
 
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图3 :将MAF1608G/1608F用于智能手机音频线中的示例
 
首先,图4所示为蜂窝频段且拥有高衰减特性的MAF1608G的使用效果。◆表示无滤波器的情况,而●表示插入MAF1608G时的接收灵敏度-频率特性。这是在900MHz频带下的测量示例,与无滤波器的情况相比,可以发现其大约改善了8dB。从图5的插入损失-频率特性可见,这是因为其进行了优化设计,使该频带下的插入损失增大(=阻抗变高)。
 
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图4 :将MAF1608G插入扬声器线后的效果(改善接收灵敏度)①接收灵敏度-频率特性
 
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图5 :将MAF1608G插入扬声器线后的效果(改善接收灵敏度)②插入损失-频率特性
 
由此可得知,将MAF1608G运用于音频线之中是对于改善智能手机等接收灵敏度劣化问题极其有效的解决方案。那么,插入后是否会产生声音失真问题呢?
音频线中的声音失真程度一般以THD+N(总谐波失真+噪音:Total Harmonic Distortion + Noise)的数值表示。这表示的是,谐波引起的失真成分以及其他噪音成分(总谐波失真+噪音)在原信号成分中所占比例(单位为[%]),其中数值越小的音质越高。
 
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图6 :MAF1608G的THD+N特性
 
图6所示为片式磁珠(TDK MPZ1608D)与MAF1068G的对输出THD+N特性比较图表(在频率为1kHz,负荷为RL=8Ω+33μF的环境下测量)。片式磁珠中输出从200mW左右开始,THD+N值会大幅增大。另一方面,MAF1608G在1000mW的输出下,几乎与无滤波器的情况没有差别。这意味着,即使将其插入扬声器线也不会发生片式磁珠那样的声音失真情况。同时,MAF1608G的额定电流为1.6A,属于较大值,十分适用于需要大电流的扬声器线。直流电阻(RDC)也是一个重要的特性。这是因为直流电阻越高,耗电量则越大,从而会导致信号等级下降。MAF1608G中实现了0.06Ω(典型值)的低电阻。因此,插入使用时音量降低程度低,且可帮助电池延长续航时间。
 
// 解决方案② 将MAF1608F运用于扬声器线中
 
MAF1608F的THD+N特性更为突出。图7所示为片式磁珠(TDK MPZ1608S以及MPZ1608D)与MAF1608F的对输出THD+N特性比较图表(在频率为1kHz,负荷为RL=8Ω+33μF的环境下测量)。
 
片式磁珠MPZ1608S中,THD+N值几乎稳定在1[%]的水平,MAF1608F在接近1000mW之前都能保持优异特性。MPZ1608S的S表示所使用铁氧体材料的类型,S材料是拥有与普通铁氧体相似频率-阻抗特性的标准类型。
 
从图表中可以看出,MAF系列中所采用的全新开发的低失真铁氧体材料有助于实现优异的THD+N特性。使用MAF1608F抑制D类放大器辐射噪音的效果如图8所示。MAF1608F的设计使其在100~400MHz的频带中拥有较高的阻抗值,因此可在该频带中发挥优异的抑制噪音效果。
 
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图7 :将MAF1608F插入扬声器线后的效果①对输出THD+N特性的比较
 
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图8 :将MAF1608F插入扬声器线后的效果②使用MAF1608F抑制D类放大器辐射噪音的效果
 
// 解决方案③ 运用于耳机线
 
图9所示为MAF1005G在耳机线中的运用示例。图10所示为,在900MHz频带下,与无滤波器的情况之间的接收灵敏度比较结果(型号后三位数字表示阻抗)。与无滤波器的情况相比,接收灵敏度约改善了6dB。
 
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图9:将MAF1005G插入耳机线中的效果①
 
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图10:将MAF1005G插入耳机线中的效果②接收灵敏度及频率特性
 
图11所示为,与相同1005尺寸(L1.0×W0.5mm)的片式磁珠(TDK MMZ1005A)之间的对输出THD+N特性比较结果。片式磁珠的极限为0.2mW左右,若继续提升输出,则THD+N值会急剧增大。也就是说,随着音量的提高,音质劣化将不可避免。而MAF1005G即使在数10mW的大输出情况下,也能维持与无滤波器相同的特性。
 
图12所示为对输出THD+N特性通过FFT光谱分析的结果。片式磁珠中会大幅出现达到测量频率(1kHz)整数倍的谐波,其THD+N值达到0.035%。而MAF1005G中,谐波被大幅抑制,THD+N值仅为0.00022%,几乎接近于零。
 
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图11 :MAF1005G的THD+N特性①对输出THD+N特性的比较
 
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图12 :MAF1005G的THD+N特性②使用FFT分析仪分析频率光谱
 
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在智能手机、平板电脑等带有通信功能的移动设备中,对于插入扬声器、耳机、麦克风等音频线内的噪音抑制元件,对改善接收灵敏度(抑制导致接收灵敏度降低的噪音)以及将对音质的影响降至最低等方面的要求越来越高。TDK的新产品音频线路噪音滤波器MAF系列为蜂窝频段,拥有高衰减特性,插入使用后可大幅改善接收灵敏度。此外,通过采用独有的低失真铁氧体材料,使声音失真指标THD+N(总谐波失真+噪音)在实用输出频带中被抑制到接近零的最小限度,成为了适用于Hi-Fi音频等要求高音质设备的最佳噪音抑制元件。此外,对于用于智能手机等的D类扬声器谐波噪音对策也十分有效。
 
因此,MAF系列拥有片式磁珠所无法实现的优异特性,而在音频线中也有片式磁珠适用的部位。通过与片式磁珠组合,各尽其用,不仅是智能手机、平板电脑,对于便携式游戏机等音频线也可提供优异的解决方案(图13)。
 
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图13 :推荐作为Hi-Fi音频线的噪音抑制元件使用
 
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