本文對脈寬調制（PWM）和展頻調制兩種不同的D類(lèi)（轉換模式）放大器技術(shù)進(jìn)行了探討。從傳統意義上來(lái)講，PWM型D類(lèi)放大器需要龐大且昂貴的濾波組件來(lái)降低由其軌至軌振幅和快速轉換頻率引起的電磁干擾。而當今的D類(lèi)放大器所采用的展頻調制技術(shù)則讓設計者可以省去這些濾波組件，又不會(huì )降低音頻性能或放大功效。

導論

由于功效好于A(yíng)類(lèi)和B類(lèi)放大器，D類(lèi)放大器對便攜式音頻應用設計人員來(lái)說(shuō)更具吸引力。但是，也有一些設計者沒(méi)有在便攜式應用中使用D類(lèi)放大器，因為傳統的PWM D類(lèi)放大器需要大量昂貴的濾波組件來(lái)降低電磁干擾。Maxim公司的D類(lèi)放大器展頻調制技術(shù)則讓設計者可以省去這些濾波組件，又不會(huì )降低音頻性能或放大功效，因此而促進(jìn)了高效的D類(lèi)放大器在便攜式音頻應用中的推廣。

傳統的脈寬調制放大器拓撲

圖1展示的是一個(gè)典型的PWM橋接式負載D類(lèi)放大器。這種方案利用一個(gè)內部生成的鋸齒波形來(lái)作為輸入級的參考。其中有一個(gè)比較儀監控著(zhù)模擬輸入電壓，并將之和鋸齒波形相比較。當鋸齒波形的輸入超過(guò)輸入電壓時(shí)，比較儀的輸出就降低。因此在比較儀的輸出處利用一個(gè)轉換器來(lái)生成一個(gè)補充PWM波形，用于BTL輸出的第二腳。

因為其軌至軌振幅和快速轉換頻率會(huì )產(chǎn)生高射頻發(fā)射和干擾，一個(gè)PWM放大器一般在輸出處需要龐大的濾波組件。此時(shí)一般會(huì )需要一個(gè)LC濾波器來(lái)降低這個(gè)高頻干擾，并從PWM信號的任務(wù)周期中提取音頻內容。

圖1. 傳統的脈寬調制拓撲

展頻調制放大器拓撲

有一個(gè)方法可以取代這種昂貴的大輸出LC濾波器方案，那就是改進(jìn)轉換程序，讓放大器在保持高效的同時(shí)降低EMI。Maxim公司的D類(lèi)放大器正是做到了這一點(diǎn)。它的這種D類(lèi)放大器采用獨特的專(zhuān)利展頻調制模式，使寬帶光譜組件相形見(jiàn)拙，將喇叭和接線(xiàn)發(fā)出的EMI最小化。圖2通過(guò)Maxim公司的MAX9700型D類(lèi)放大器展示了這種D類(lèi)放大器的拓撲。

Maxim的D類(lèi)放大器的調制方案采用了一個(gè)內部生成的鋸齒波形，并在輸入部分采用了一個(gè)互補信號對。如果沒(méi)有互補輸入信號，則會(huì )在IC內部產(chǎn)生一個(gè)微分輸入。

圖2：?jiǎn)温暤繢類(lèi)放大器拓撲

比較儀監控著(zhù)D類(lèi)放大器的輸入，并將補充輸入電壓和鋸齒波形相比較。當鋸齒波形大小超過(guò)輸入電壓時(shí)，比較儀A會(huì )發(fā)出一個(gè)零伏特的信號，將相應的D類(lèi)輸出(OUT+)拉高至VDD。當鋸齒波形大小超過(guò)其輸入電壓時(shí)，比較儀B則會(huì )在輸出處輸出一個(gè)零伏特的電壓，同樣將相應的D類(lèi)輸出(OUT-)拉高至VDD。在兩個(gè)D類(lèi)輸出都被拉高之后，一個(gè)計時(shí)器從一個(gè)簡(jiǎn)單的或非門(mén)輸出處開(kāi)始計時(shí)，時(shí)間常數為tau，相當于1 / (RTON * CTON)。在一個(gè)固定的時(shí)間內(tau)，兩個(gè)D類(lèi)輸出都被拉高至GND，而兩個(gè)比較儀則都被重置。這個(gè)序列在第二個(gè)比較儀的輸出處產(chǎn)生一個(gè)最小寬度的脈沖tON(MIN)。隨著(zhù)輸入電壓的增減，其中一個(gè)輸出上（第一個(gè)比較儀會(huì )跳開(kāi)）的脈沖持續時(shí)間會(huì )上升，而另一個(gè)輸出上脈沖的持續時(shí)間則維持在tON(MIN) ，從而導致穿過(guò)喇叭的凈電壓(VOUT+ - VOUT-)發(fā)生改變。

圖3：Maxim公司的應用了輸入信號FFM模式的D類(lèi)BTL輸出

固定頻率調制和展頻調制

Maxim的D類(lèi)技術(shù)采用了兩種調制模式：（1）固定頻率調制（FFM）模式和（2）展頻調制模式。在FFM模式中（如圖3），鋸齒波形的持續時(shí)間保持不變，這一點(diǎn)和其在傳統的PWM方案中是一樣的。在展頻調制模式（如圖4）中，鋸齒波長(cháng)的持續時(shí)間則會(huì )在每個(gè)周期都不斷改變（一般改變幅度是±10%）。圖4對鋸齒波形的改變量進(jìn)行了放大，以更好地展示效果。

圖4：Maxim的采用了輸入信號展頻調制模式的D類(lèi)BTL輸出

展頻調制模式的周期改變可以使得基本頻率下(fo ±10%)所消耗的能量減少，同時(shí)諧波分量會(huì )以一個(gè)特定帶寬(nfo ±10%，此處n 為正整數)進(jìn)行相似的擴展。光譜能量并沒(méi)有以數倍于轉換頻率的狀態(tài)存在，而是在一個(gè)帶寬上擴展，這個(gè)帶寬會(huì )隨著(zhù)頻率的增長(cháng)而增長(cháng)。在頻率超過(guò)數兆赫時(shí)，寬帶光譜看起來(lái)像是顯示EMI的白噪音。在FFM模式中，能量被抑制在窄帶里，并具有各個(gè)峰值（如圖5a）。而在展頻調制模式中，能量帶寬則更大，峰值能量也被降低（如圖5b）。需要注意的是，在圖5b中，三次諧波幾乎被掩蓋在噪音層了。

圖5a：Maxim的FFM模式

圖5b：Maxim的展頻調制模式

展頻調制模式將EMI干擾最小化

Maxim的展頻技術(shù)可以讓D類(lèi)放大器真正舍棄濾波器而工作，只要喇叭線(xiàn)不是太長(cháng)。大輸出LC濾波器一般是傳統的PWM結構才需要的，以確保含有D類(lèi)放大器的消費品能夠符合電磁兼容性規格。Maxim專(zhuān)有的展頻技術(shù)降低了D類(lèi)放大器的輻射，使之可以滿(mǎn)足電磁兼容性要求，而不需要在輸出處進(jìn)行濾波，或者僅需要進(jìn)行很少的濾波（見(jiàn)附錄）。

電磁兼容性要求成型產(chǎn)品能夠通過(guò)現有的準峰值檢測限制－例如由CE（歐洲共同體，歐洲標準）和FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì )，美國標準）所制定的限制－以確保保持最低的電磁干擾。按照CE和FCC的定義，電磁干擾會(huì )中斷、阻礙或削減電子和電氣設備的有效性能。在準峰值檢測中，所測定的信號等級是由信號光譜分量的重復頻率來(lái)衡量的。重復頻率越低，所顯示的準峰值也就越低1。

展頻調制充分發(fā)揮了準峰值檢測的作用，大大降低了電磁干擾（表格1）。在展頻調制模式中，D類(lèi)放大器的峰值基本頻率可以為一定范圍內的任意數值 － 一般與其基本轉換頻率偏差±10%。假設準峰值檢測在分析儀中以一個(gè)120kHz的分辨率帶寬來(lái)進(jìn)行，那么除了基本轉換頻率和一開(kāi)始的幾次諧波，轉換頻率在任何一個(gè)中心頻率中都只顯示一段時(shí)間。

表格1：MAX9759的輻射數據(MAX975??估套件、展頻調制模式、3"雙絞線(xiàn)喇叭線(xiàn)、“無(wú)濾波”)

總結

D類(lèi)放大器的近軌至軌振幅和快速轉換頻率會(huì )帶來(lái)高射頻輻射和干擾。當音頻內容在變頻器被復制之前，一般都必須使用龐大其昂貴的LC濾波器來(lái)降低這種干擾。但是現在，Maxim的展頻調制技術(shù)可以讓D類(lèi)放大器在采用了高效PCB板布局和相對短的喇叭線(xiàn)的情況下，真正實(shí)現低功耗“無(wú)濾波”操作。

預知更多關(guān)于準峰值檢測的詳情，請參考國際電工委員會(huì )下屬的國際無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì )(CISPR)所出版的Reference Publication 16。

附錄

濾波技術(shù)概況

用于D類(lèi)功率放大器的濾波器拓撲共有三種：（1）FB-C：鐵氧體磁珠和電容器；（2）LC：感應器和電容器；以及（3）“無(wú)濾波”技術(shù)。某個(gè)特定設計應該選擇哪種濾波技術(shù)，取決于喇叭線(xiàn)的長(cháng)度和PCB布局。下面是這三種濾波器拓撲的優(yōu)缺點(diǎn)：

FB-C濾波

當喇叭線(xiàn)路徑合理時(shí)，FB-C濾波足夠滿(mǎn)足電磁兼容性要求。與LC濾波相比，FB－C濾波方案更為精簡(jiǎn)而高效。但是，由于只能在頻率大于10MH在的情況下生效，FB-C濾波的應用范圍受到很大的限制。而且，即便在頻率低于10MHz的情況下，如果喇叭線(xiàn)路徑不合理，也無(wú)法實(shí)現濾波。

L－C濾波

相比之下，L－C濾波可以在頻率大約為30kHz就開(kāi)始生效。當某個(gè)設計中所用的喇叭線(xiàn)較長(cháng)，而PCB布局又不是很好時(shí)，L－C濾波無(wú)疑是一個(gè)“保險的”選擇。但是，L－C濾波要求昂貴而龐大的外置組件，這顯然不適合便攜式設備。而且，當頻率大于30MHz，主感應器會(huì )自共振，此時(shí)L－C濾波還會(huì )需要額外的組件才能抑制電磁干擾。

“無(wú)濾波”濾波("Filterless" Filtering)

“無(wú)濾波”放大器拓撲是最為高效的方案，因為它省去了額外的濾波組件。借助于這種方案，采用較短雙絞線(xiàn)喇叭線(xiàn)的D類(lèi)放大器可以完全符合電磁兼容性標準。但是，和FB-C濾波一樣，如果喇叭線(xiàn)路徑不合理，這種方案也有可能無(wú)法抑制電磁干擾。另外請注意，Maxim的D類(lèi)放大器也可以進(jìn)行“無(wú)濾波”操作，只要在放大器的轉換頻率下喇叭是感應的。在輸出電壓進(jìn)行轉換時(shí)，轉換頻率下的高感應性使過(guò)載電流保持相對不變。