低諧波失真的Audio ESD防護方案

諧波失真(Harmonic Distortion)是評估交流訊號失真情形的重要指標之一，不過由於以時域(Time domain)波形並不容易判斷與量化諧波失真的程度(如圖1)，因此實務上常針對訊號進行傅立葉轉換，並以頻域(Frequency Domain)的觀點(如圖2)所得到的頻譜圖來做為量化及討論諧波失真的工具。

圖2. 以頻域的觀點可以量化導致失真的諧波成分

針對理想帶有單一或複數頻率的原始採樣訊號，如果出現非預期的諧波失真，會導致整體的訊號波型失真。對於像是Audio與天線等交流電氣訊號而言，若訊號失真嚴重則會導致聲訊音色不佳或是無線資料傳輸緩慢及失敗等狀況，因此於工程設計上需確保原始訊號能不在失真的情況下順利傳遞。而在眾多造成交流訊號失真的因素當中，諧波失真總是成為各個RF工程師時常面對的議題。     

Audio訊號與的高ESD防護需求

以先進製程設計製造的高性能Audio Codec IC，往往對於ESD的耐受能力較為有限，也因此ESD event時常是造成Audio Codec IC功能異常甚至損壞的主因。由於Audio port經常暴露在使用者容易接觸的環境之中，也因此無可避免的會時常遭受來自外部的ESD襲擊。有鑑於此應用情境，許多品牌公司都採用ESD Direct Pin Injection測試來確保其產品的Audio ports能承受來自熱插拔應用情境時遭遇的ESD event，並且會在Audio訊號線上擺放合適的ESD保護元件來協助產品通過ESD Direct Pin Injection 8kV測試，也進一步減少售後因ESD Failure而引起的返修問題。     

ESD保護元件與諧波失真

由於ESD保護元件先天上的半導體特性，當有高頻交流訊號通過ESD保護元件時無可避免的會造成一定程度的奇次諧波與偶次諧波失真，若不慎挑選諧波失真量較大的ESD保護元件，將會導致聲訊音色不佳的產品缺陷。甚至是在PCB空間較小的穿戴式裝置或手持式裝置的設計過程中，若Audio訊號線上的ESD保護元件與其他高頻無線傳輸訊號設計佈局相當接近的情況下，可能會促使更多的諧波失真量產生，嚴重狀況下亦可能導致聽到嗡嗡聲的異常聲響。因此如何保有高等級ESD防護能力的同時還能正確抑制諧波失真，儼然成為各RF工程師與EMC工程師需要共同解決的難題。對於此應用情景與規格需求，晶焱科技已針對ESD保護元件本身，設計出量化評估二次諧波與三次諧波產生量的量測方式，並能針對各交流電氣訊號專用的ESD保護元件提供諧波量測數據，以系統設計的角度來協助RF設計工程師評估其Side effect，確保ESD保護元件在執行靜電防護的同時亦不會對訊號品質造成影響。

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

為同時考量最佳的ESD保護效果以及最佳化的訊號品質，晶焱科技針對Audio應用以特別的設計工藝開發出極低諧波失真的最佳化產品 --- AZ5D25-01M，規格簡介如下:

 ‧  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採用0201極小封裝設計來符合穿戴式裝置與手持式裝置的小空間設計需求，並且為確實防護先進製程的Audio Codec免於遭受ESD破壞並通過ESD Direct Pin Injection的嚴苛測試要求，AZ5D25-01M在8kV ESD當下的箝制電壓僅有7.8V，以極低箝制電壓的特性來提供最優化的ESD防護效果。

在提供良好保護效果的同時，採用特殊設計工藝的AZ5D25-01M亦具備極低的諧波失真產生量。根據下圖3到下圖6所示，AZ5D25-01M在各基頻頻段的條件下都僅產生極低的偶次諧波與奇次諧波，並且在一般情境使用功率不高的情況下，在頻譜分析儀上所觀察到的諧波失真量幾乎僅是Noise Floor等級。依此量測結果可以協助各RF工程師判斷其造成的Side effect，並且藉由此特殊設計，AZ5D25-01M可以協助解決各RF工程師及EMC工程師之間的兩難，同時提供良好的ESD保護效果以及極低的諧波失真影響。

圖6. AZ5D25-01M於Bluetooth, Wi-Fi基頻下所產生的二次與三次諧波