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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 工業濾波器

音頻線路噪音濾波器的各類解決方案指南

發布日期：2022-10-09 點擊率：76

站長統計

【導讀】智能手機的揚聲器、耳機等音頻線等線路中會輻射出電磁噪音，若不采取對策，該噪音會對內置天線造成干擾，從而使接收靈敏度降低，因此一般情況下會插入片式磁珠抑制噪音。然而，片式磁珠雖然可有效抑制噪音，但對于音頻線可能會造成聲音失真等問題。因此，TDK通過全新的產品理念開發了音頻線路噪音濾波器MAF系列作為解決方案。由于蜂窩頻段的噪音衰減效果優異，因此可大幅改善接收靈敏度，同時還可解決因以往插入抑制元件導致的音質劣化問題。此外，對于用于智能手機等的D類揚聲器諧波對策也十分有效。

// 為什么音頻線的噪音抑制十分重要？

圖1所示為智能手機音頻線的方框圖。在智能手機中，用于揚聲器的功率放大器內使用有D類放大器等數碼放大器。D類放大器也被稱為開關放大器，是通過使用開關器件(MOSFET等)的PWM(脈沖寬度調頻)技術，將音頻輸入信號轉換為脈沖信號之后，恢復至模擬信號，再將其輸出至揚聲器的方式。然而，由于脈沖信號帶有較多諧波成分，在不采取任何對策的情況下連接D類放大器與揚聲器的配線會成為天線并輻射出電磁噪音，從而會對內置天線產生干擾，使接收靈敏度發生劣化。這也就是所謂的"自體中毒"問題。由于D類放大器體積小，電力效率十分優異，因此應用于趨于多功能化以及耗電量不斷變大的智能手機等設備中，以延長電池的續航時間。耳機線產生的噪音也會導致發生該接收靈敏度的劣化問題。

此外，以往所采用的音頻線噪音對策會使音頻信號波形發生失真，從而導致聲音失真等問題。現在，支持"高解析"的智能手機以及耳機等Hi-Fi音頻不斷受到矚目，因此人們要求同時解決音頻線中的接收靈敏度劣化問題以及聲音失真問題的解決方案。

圖1：智能手機音頻線的方框圖以及"自體中度"問題與聲音失真問題

// 通過片式磁珠抑制噪音的問題點

為抑制從音頻線中輻射出的噪音，一般會在D類放大器的輸出段插入片式磁珠。這是通過積層工藝等方式在鐵氧體元件體內形成線圈的片式元件。片式磁珠的阻抗以線圈的電抗成分以及交流電阻成分表示。在低頻率范圍中，主要由電抗成分發揮作用，發射噪音，而在高頻率范圍中，則主要由交流電阻成分發揮作用，吸收噪音并轉換為熱能。與片式磁珠特性緊密相關的是鐵氧體。在大電流流過的電源系統中會使用交流電阻成分較大的片式磁珠。智能手機的揚聲器線中也會流過較大的電流。然而，交流電阻成分較大的片式磁珠會導致聲音失真的情況加劇，而使用以往鐵氧體材料的片式磁珠很難在去除噪音的同時將聲音失真控制在低水平。

// 使用獨特低失真鐵氧體材料實現產品化的噪音濾波器

為了解決片式磁珠中這一難以解決的問題，TDK通過使用長期積累的材料設計等技術，全新開發了能夠在維持去除噪音特性的同時，實現低失真的鐵氧體材料。此外，基于全新的產品理念，同時還開發出了針對智能手機等音頻線進行噪音抑制的積層片式元件。這就是音頻線路噪音濾波器MAF系列。

圖2所示為噪音濾波器MAF系列與片式磁珠的特性比較。噪音濾波器MAF系列是一款具有獨特定位的產品，它可以在保持優異噪音除去效果的同時，實現低失真特性。

圖2：噪音濾波器MAF系列與片式磁珠的特性比較

// 提供根據用途進行優化的G型、F型產品

TDK的音頻線路噪音濾波器MAF系列可提供1608尺寸(L1.6×W0.8mm)的G型、F型產品以及1005尺寸(L1.0×W0.5mm)的G型產品(2016年8月)。G型產品為LTE等主要蜂窩頻段(700MHz~2GHz)，擁有高衰減特性，通過插入揚聲器線或耳機線內，可大幅改善接收靈敏度。F型產品用于揚聲器線中，通過插入D類放大器輸出段，對除去諧波噪音擁有優異效果。

// 解決方案①　提高接收靈敏度及THD+N特性

以下就音頻線路噪音濾波器MAF系列的優異特性以及運用示例進行具體說明。圖3是將MAF1608F與MAF1608G用于揚聲器線，將MAF1608G用于接收器(耳機)線時的方框圖。

圖3 ：將MAF1608G/1608F用于智能手機音頻線中的示例

首先，圖4所示為蜂窩頻段且擁有高衰減特性的MAF1608G的使用效果。◆表示無濾波器的情況，而●表示插入MAF1608G時的接收靈敏度-頻率特性。這是在900MHz頻帶下的測量示例，與無濾波器的情況相比，可以發現其大約改善了8dB。從圖5的插入損失-頻率特性可見，這是因為其進行了優化設計，使該頻帶下的插入損失增大(＝阻抗變高)。

圖4 ：將MAF1608G插入揚聲器線后的效果(改善接收靈敏度)①接收靈敏度－頻率特性

圖5 ：將MAF1608G插入揚聲器線后的效果(改善接收靈敏度)②插入損失－頻率特性

由此可得知，將MAF1608G運用于音頻線之中是對于改善智能手機等接收靈敏度劣化問題極其有效的解決方案。那么，插入后是否會產生聲音失真問題呢？

音頻線中的聲音失真程度一般以THD+N(總諧波失真+噪音：Total Harmonic Distortion + Noise)的數值表示。這表示的是，諧波引起的失真成分以及其他噪音成分(總諧波失真+噪音)在原信號成分中所占比例(單位為[%])，其中數值越小的音質越高。

圖6 ：MAF1608G的THD+N特性

圖6所示為片式磁珠(TDK MPZ1608D)與MAF1068G的對輸出THD+N特性比較圖表(在頻率為1kHz，負荷為RL=8Ω+33μF的環境下測量)。片式磁珠中輸出從200mW左右開始，THD+N值會大幅增大。另一方面，MAF1608G在1000mW的輸出下，幾乎與無濾波器的情況沒有差別。這意味著，即使將其插入揚聲器線也不會發生片式磁珠那樣的聲音失真情況。同時，MAF1608G的額定電流為1.6A，屬于較大值，十分適用于需要大電流的揚聲器線。直流電阻(RDC)也是一個重要的特性。這是因為直流電阻越高，耗電量則越大，從而會導致信號等級下降。MAF1608G中實現了0.06Ω(典型值)的低電阻。因此，插入使用時音量降低程度低，且可幫助電池延長續航時間。

// 解決方案②　將MAF1608F運用于揚聲器線中

MAF1608F的THD+N特性更為突出。圖7所示為片式磁珠(TDK MPZ1608S以及MPZ1608D)與MAF1608F的對輸出THD+N特性比較圖表(在頻率為1kHz，負荷為RL=8Ω+33μF的環境下測量)。

片式磁珠MPZ1608S中，THD+N值幾乎穩定在1[%]的水平，MAF1608F在接近1000mW之前都能保持優異特性。MPZ1608S的S表示所使用鐵氧體材料的類型，S材料是擁有與普通鐵氧體相似頻率-阻抗特性的標準類型。

從圖表中可以看出，MAF系列中所采用的全新開發的低失真鐵氧體材料有助于實現優異的THD+N特性。使用MAF1608F抑制D類放大器輻射噪音的效果如圖8所示。MAF1608F的設計使其在100～400MHz的頻帶中擁有較高的阻抗值，因此可在該頻帶中發揮優異的抑制噪音效果。

圖7 ：將MAF1608F插入揚聲器線后的效果①對輸出THD+N特性的比較

圖8 ：將MAF1608F插入揚聲器線后的效果②使用MAF1608F抑制D類放大器輻射噪音的效果

// 解決方案③　運用于耳機線

圖9所示為MAF1005G在耳機線中的運用示例。圖10所示為，在900MHz頻帶下，與無濾波器的情況之間的接收靈敏度比較結果(型號后三位數字表示阻抗)。與無濾波器的情況相比，接收靈敏度約改善了6dB。

圖9：將MAF1005G插入耳機線中的效果①

圖10：將MAF1005G插入耳機線中的效果②接收靈敏度及頻率特性

圖11所示為，與相同1005尺寸(L1.0×W0.5mm)的片式磁珠(TDK MMZ1005A)之間的對輸出THD+N特性比較結果。片式磁珠的極限為0.2mW左右，若繼續提升輸出，則THD+N值會急劇增大。也就是說，隨著音量的提高，音質劣化將不可避免。而MAF1005G即使在數10mW的大輸出情況下，也能維持與無濾波器相同的特性。

圖12所示為對輸出THD+N特性通過FFT光譜分析的結果。片式磁珠中會大幅出現達到測量頻率(1kHz)整數倍的諧波，其THD+N值達到0.035%。而MAF1005G中，諧波被大幅抑制，THD+N值僅為0.00022%，幾乎接近于零。

圖11 ：MAF1005G的THD+N特性①對輸出THD+N特性的比較

圖12 ：MAF1005G的THD+N特性②使用FFT分析儀分析頻率光譜

在智能手機、平板電腦等帶有通信功能的移動設備中，對于插入揚聲器、耳機、麥克風等音頻線內的噪音抑制元件，對改善接收靈敏度(抑制導致接收靈敏度降低的噪音)以及將對音質的影響降至最低等方面的要求越來越高。TDK的新產品音頻線路噪音濾波器MAF系列為蜂窩頻段，擁有高衰減特性，插入使用后可大幅改善接收靈敏度。此外，通過采用獨有的低失真鐵氧體材料，使聲音失真指標THD+N（總諧波失真＋噪音）在實用輸出頻帶中被抑制到接近零的最小限度，成為了適用于Hi-Fi音頻等要求高音質設備的最佳噪音抑制元件。此外，對于用于智能手機等的D類揚聲器諧波噪音對策也十分有效。

因此，MAF系列擁有片式磁珠所無法實現的優異特性，而在音頻線中也有片式磁珠適用的部位。通過與片式磁珠組合，各盡其用，不僅是智能手機、平板電腦，對于便攜式游戲機等音頻線也可提供優異的解決方案（圖13）。