【導讀】TDK的貼片壓敏電阻不僅可作為音頻線路的ESD對策，同時也是能滿足①大幅削減貼裝面積 ②音頻失真小 ③改善接收靈敏度 ④抑制噪音 等音頻線路特有的各類要求的ESD保護元件。本次的推文就為智能手機音頻線路提供最佳解決方案的各類優點進行說明。
智能手機的揚聲器或耳機的音頻線路中，一般插入TVS二極管以及貼片壓敏電阻(積層貼片壓敏電阻)作為ESD(Electro-Static Discharge：靜電放電)對策。此外，在音頻線路的噪音對策方面，其不僅需要ESD等的抗擾度對策，同時也需要對智能手機內部電路配線放射的電磁噪音采取對策。
TDK的貼片壓敏電阻不僅可作為音頻線路的ESD對策，同時也是能滿足①大幅削減貼裝面積 ②音頻失真小 ③改善接收靈敏度 ④抑制噪音 等音頻線路特有的各類要求的ESD保護元件。本次的推文就為智能手機音頻線路提供最佳解決方案的各類優點進行說明。
音頻線路解決方案用TDK貼片壓敏電阻系列
智能手機等音頻線路中ESD對策特別受到重視的理由
電子設備中作為人機接口的揚聲器、麥克風或耳機是向電子設備輸入或輸出音頻信號的應用。一般情況下，配置于電子設備外側的情況較多，因此容易受到外來噪音的影響。而ESD(Electro-Static Discharge：靜電放電)則是影響電子設備的代表性外來噪音的一種。
近年來，隨著IC的低電壓化等，ESD所導致的電子設備故障或錯誤工作已成為嚴重問題。尤其是耳機插接，由于會頻發插拔針插頭，因此在插入帶電的針插頭時會產生ESD，從而在設備內部進行氣體放電的可能性很高，為此必須采取對策。
針對此類接口端子中ESD的試驗方法，使用人體模型(HBM：Human Body Model)，其主要考慮了人體中帶電電荷向電子設備進行放電的情況。圖1所示為IEC61000-4-2標準的靜電抗擾度試驗中所使用的人體模型。
圖1：靜電抗擾度試驗(IEC61000-4-2)的人體模型
推薦將TVS二極管替換為貼片壓敏電阻的理由
用作ESD/浪涌保護的電子元件包括MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)、ESD抑制器、TVS二極管(齊納二極管)、貼片壓敏電阻等。
圖2所示為智能手機音頻線路電路方框圖。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。此外，耳機線，麥克風線是直接從音頻編解碼器中輸出音頻信號。為此，其中會插入保護元件作為揚聲器線或耳機線的ESD對策。將作為ESD保護元件使用的TVS二極管替換為貼片壓敏電阻可獲得諸多優點。
圖2：智能手機音頻線路中ESD保護元件的使用方法
雖然TVS二極管與貼片壓敏電阻的ESD保護性能幾乎相同，但將TVS二極管替換為貼片壓敏電阻擁有諸多優點。主要為空間優點與成本優點，同時其對于噪音抑制也有效。這是因為貼片壓敏電阻擁有較大靜電容量，并且可發揮MLCC的功能。
首先，對最大可削減90%以上貼裝面積的貼片壓敏電阻所獨有的空間優點進行說明。
優點1．最大可削減90%以上貼裝面積
近年來，隨著智能手機高性能化的快速發展，主板呈現極度擁擠狀態，完全沒有剩余空間，因此使用比以往更為小型的電子元件成為了趨勢。
使用TVS二極管作為音頻線路解決方案時，若將其作為ESD對策的同時還以除去噪音為目的，那么TVS二極管的靜電容量則會過小，因此需要并聯插入MLCC，由此則需要貼裝2個元件的面積。而由于貼片壓敏電阻靜電容量大，因此可使用1個產品來替換TVS二極管和MLCC這2個產品。
圖3中對組合了TVS二極管及MLCC的情況，與使用貼片壓敏電阻的情況時的貼裝面積進行了比較。元件尺寸分別設想如下，TVS二極管：1006形狀(1.0×0.6mm)，MLCC：0603(0.6×0.3mm)形狀，貼片壓敏電阻：0603形狀。0603形狀貼片壓敏電阻可削減80%以上的貼裝面積，因此擁有極大的空間節省效果。TDK量產有0402形狀(0.4×0.2mm)的貼片壓敏電阻，該產品可削減90%以上的貼裝面積，從而能夠為智能手機的進一步小型化與高性能化做出貢獻。
圖3：TVS二極管＋MLCC的2器件組合與貼片壓敏電阻1器件的貼裝面積比較
優點2．音頻失真小
將ESD保護元件插入智能手機音頻線路中后，會使音頻信號發生失真，從而導致音頻失真。此處以THD+N(總諧波失真＋噪音)的數值表示。
圖4所示為ESD保護元件的對輸出-THD+N特性。未插入ESD保護元件時是音頻失真最小的狀態，以此作為標準值。插入TVS二極管后，在高輸出領域中，THD+N大幅増加。而貼片壓敏電阻則與未插入時的情況相同，未引起音頻失真。
圖4：各ESD保護元件 THD＋N測量結果
從這些結果來看，TVS二極管及貼片壓敏電阻的電流-電壓特性(IV曲線)會產生影響。TVS二極管的IV曲線中"急劇升高"及"有時擁有極性"是導致音頻信號失真的原因所在。
由于貼片壓敏電阻沒有極性，因此IV曲線相比TVS二極管，其升高幅度較緩。因此，相比TVS二極管，貼片壓敏電阻更適合用于抑制音頻信號失真，保持高音質。
優點3．通過靜電容量抑制噪音的效果
在智能手機的音頻線路中，音頻編解碼器及D級放大器等會產生噪音，進而對內部天線造成干擾，導致接收靈敏度劣化。一般情況下會使用低通濾波器(LC濾波器)作為對策，但應盡可能從大范圍靜電容量產品線中選擇最佳產品為宜。
表1所示為各類ESD保護元件所覆蓋的靜電容量范圍。MLCC覆蓋的靜電容量范圍較廣，達到數pF～數µF，貼片壓敏電阻為數pF～數百pF，TVS二極管為數pF～數10pF。音頻線路配線放射出的電子噪音以數100MHz～數GHz的頻帶居多，若要提高這些頻帶的噪音衰減效果，靜電容量為數pF～數100pF的產品更為有效。
表1：各類ESD保護元件的靜電容量產品線
0603形狀(0.6×0.3mm)、1005形狀(1.0×0.5mm)的TVS二極管靜電容量以5～15pF左右居多，為構成目標低通濾波器，則需要像如圖5所示，以與TVS二極管并聯的形式插入MLCC。若不使用MLCC而只使用TVS二極管時，靜電容量將會不充分，從而無法除去電磁噪音。
貼片壓敏電阻中數10pF～數100pF的產品線對于數100MHz～數GHz的噪音擁有抑制效果。如圖6所示，貼片壓敏電阻的等效電路是由雙向二極管與MLCC并列而成的。TDK的貼片壓敏電阻采用積層結構，通過改變內部結構設計，可方便地調整靜電容量。TDK擁有1005形狀(EIA0402)：650pF以下, 0603形狀(EIA0201)：330pF以下的大范圍靜電容量產品線，可從中選擇符合抑制噪音所需頻帶的產品。
圖5：積層貼片壓敏電阻的等效電路
圖6：使用TVS二極管除去電磁噪音
優點4．改善接收靈敏度
圖7所示為使用ESD保護元件時的接收靈敏度測量結果。
相比取下ESD保護元件時的狀態(無保護元件)，TVS二極管(靜電容量:5pF)下的接收靈敏度發生了下降。若以與TVS二極管并列的方式插入MLCC(靜電容量：100pF)后則可改善接收靈敏度。而貼片壓敏電阻(靜電容量：100pF、AVRM0603C6R8NT101N)只需1個器件便可改善接收靈敏度。
圖7：各ESD保護元件 智能手機接收靈敏度測量結果
從這些結果來看，根據ESD保護元件靜電容量的傳輸特性(插入損失-頻率特性)會產生影響。圖8中ESD保護元件的傳輸特性方面，靜電容量為100pF的貼片壓敏電阻與MLCC擁有相同特性，而接近1GHz時，衰減將會變大。而TVS二極管的靜電容量較小，僅為5pF，因此衰減領域在3GHz附近，而1GHz附近蜂窩帶的接收靈敏度則無法改善。若需要使用TVS二極管解決方案改善接收靈敏度，則需要以并聯方式插入靜電容量為100pF的MLCC。
圖8：各ESD保護元件 傳輸特性(插入損失-頻率特性)
優點5．ESD保護效果
ESD保護是貼片壓敏電阻以及TVS二極管的基本性能。在使用了IEC61000-4-2人體模型(HBM：Human Body Model)的靜電抗擾度試驗中，作為ESD箝位波形的評估參數，規定升高部分的電壓為峰值電壓(Vpeak)、升高之后30～100ns的平均值為平均電壓(Vave)。
圖9所示為對靜電抗擾度試驗中ESD保護元件ESD箝位波形進行比較的圖表。TVS二極管(5pF)的ESD保護性能方面，以并聯方式插入MLCC(100pF)的情況與貼片壓敏電阻相同。
圖9：ESD保護元件的ESD箝位波形
TDK提供使用了貼片壓敏電阻的最佳解決方案作為智能手機音頻線路的ESD對策。尤其是將TVS二極管替換為貼片壓敏電阻后，不僅實現了有效的ESD對策，同時也帶來了空間優點、成本優點、噪音抑制等各種優點。
將TVS二極管替換為貼片壓敏電阻的優點
● 可實現極佳的ESD保護對策。
● 可通過貼片壓敏電阻1個產品，實現TVS二極管(ESD保護)與MLCC(噪音抑制)這2個產品的功能。
● 可從大范圍靜電容量產品線中選擇符合抑制噪音所需頻帶的產品。
● 可有效衰減蜂窩帶的噪音，并改善接收靈敏度。
● 音頻失真指標THD+N與未插入元件時相同，從而可確保音頻質量。
推薦閱讀：
