低谐波失真的Audio ESD防护方案

圖1. 以時域的觀點難以判斷原始訊號經過一個系統後的失真程度

圖2. 以頻域的觀點可以量化導致失真的諧波成分

针对理想带有单一或复数频率的原始采样讯号，如果出现非预期的谐波失真，会导致整体的讯号波型失真。对于像是Audio与天线等交流电气讯号而言，若讯号失真严重则会导致声讯音色不佳或是无线资料传输缓慢及失败等状况，因此于工程设计上需确保原始讯号能不在失真的情况下顺利传递。而在众多造成交流讯号失真的因素当中，谐波失真总是成为各个RF工程师时常面对的议题。 

Audio讯号与的高ESD防护需求

以先进制程设计制造的高性能Audio Codec IC，往往对于ESD的耐受能力较为有限，也因此ESD event时常是造成Audio Codec IC功能异常甚至损坏的主因。由于Audio port经常暴露在使用者容易接触的环境之中，也因此无可避免的会时常遭受来自外部的ESD袭击。有鉴于此应用情境，许多品牌公司都采用ESD Direct Pin Injection测试来确保其产品的Audio ports能承受来自热插拔应用情境时遭遇的ESD event，并且会在Audio讯号线上摆放合适的ESD保护元件来协助产品通过ESD Direct Pin Injection 8kV测试，也进一步减少售后因ESD Failure而引起的返修问题。 

ESD保护元件与谐波失真

由于ESD保护元件先天上的半导体特性，当有高频交流讯号通过ESD保护元件时无可避免的会造成一定程度的奇次谐波与偶次谐波失真，若不慎挑选谐波失真量较大的ESD保护元件，将会导致声讯音色不佳的产品缺陷。甚至是在PCB空间较小的穿戴式装置或手持式装置的设计过程中，若Audio讯号线上的ESD保护元件与其他高频无线传输讯号设计布局相当接近的情况下，可能会促使更多的谐波失真量产生，严重状况下亦可能导致听到嗡嗡声的异常声响。因此如何保有高等级ESD防护能力的同时还能正确抑制谐波失真，俨然成为各RF工程师与EMC工程师需要共同解决的难题。对于此应用情景与规格需求，晶焱科技已针对ESD保护元件本身，设计出量化评估二次谐波与三次谐波产生量的量测方式，并能针对各交流电气讯号专用的ESD保护元件提供谐波量测数据，以系统设计的角度来协助RF设计工程师评估其Side effect，确保ESD保护元件在执行静电防护的同时亦不会对讯号品质造成影响。 

Amazing ESD Solution with Minimize Harmonic Distortion for Audio --- AZ5D25-01M. 

为同时考量最佳的ESD保护效果以及最佳化的讯号品质，晶焱科技针对Audio应用以特别的设计工艺开发出极低谐波失真的最佳化产品 --- AZ5D25-01M，规格简介如下:

 ‧  Package : MCSP0603P2YS (0201) 

 ‧  Directivity : Bi-direction 

 ‧  Reverse Stand-off Voltage : 5V 

‧  Decouple Capacitance : 33pF 

‧  ESD Clamping Voltage @8kV : 7.8V 

‧  IEC61000-4-2 System ESD : 20kV (Contact), 24kV (Air) 

‧  Surge Ipp (8/20us) : 4A     

AZ5D25-01M采用0201极小封装设计来符合穿戴式装置与手持式装置的小空间设计需求，并且为确实防护先进制程的Audio Codec免于遭受ESD破坏并通过ESD Direct Pin Injection的严苛测试要求，AZ5D25-01M在8kV ESD当下的钳制电压仅有7.8V，以极低钳制电压的特性来提供最优化的ESD防护效果。 

在提供良好保护效果的同时，采用特殊设计工艺的AZ5D25-01M亦具备极低的谐波失真产生量。根据下图3到下图6所示，AZ5D25-01M在各基频频段的条件下都仅产生极低的偶次谐波与奇次谐波，并且在一般情境使用功率不高的情况下，在频谱分析仪上所观察到的谐波失真量几乎仅是Noise Floor等级。依此量测结果可以协助各RF工程师判断其造成的Side effect，并且藉由此特殊设计，AZ5D25-01M可以协助解决各RF工程师及EMC工程师之间的两难，同时提供良好的ESD保护效果以及极低的谐波失真影响。

图3. AZ5D25-01M于LTE Band 28基频下所产生的二次与三次谐波

图4. AZ5D25-01M于GSM Low Band基频下所产生的二次与三次谐波

图5. AZ5D25-01M于GSM High Band基频下所产生的二次与三次谐波

图6. AZ5D25-01M于Bluetooth, Wi-Fi基频下所产生的二次与三次谐波