引言

由于功效高于AB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，也有一些設計者并未在便攜式應用中使用D類(lèi)放大器，因為傳統的PWM型D類(lèi)放大器需要龐大且昂貴的濾波元件來(lái)降低電磁干擾。Maxim公司的D類(lèi)放大器擴譜調制技術(shù)則讓設計者可以省去這些濾波元件，又不會(huì )降低音頻性能或放大功效，因此有效推動(dòng)了高效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展示了一款典型的PWM型、橋接負載(BTL) D類(lèi)放大器。PWM方案通常利用一個(gè)內部生成的鋸齒波作為其輸入級的基準。其中有一個(gè)比較器監視模擬輸入電壓，并將其與鋸齒波進(jìn)行比較。當鋸齒波輸入超過(guò)輸入電壓時(shí)，比較器輸出就變?yōu)榈碗娖�。在比較器輸出端利用一個(gè)反相器來(lái)生成一個(gè)互補的PWM波形，用于控制BTL輸出的第二橋臂。

因為其滿(mǎn)擺幅轉換特性和快速開(kāi)關(guān)頻率會(huì )產(chǎn)生較高的射頻(RF)輻射和干擾，PWM型放大器的輸出一般需要龐大的濾波元件。此時(shí)一般需要一個(gè)LC濾波器來(lái)降低這種高頻干擾，并從PWM信號的占空比信息中提取音頻內容。


圖1. 傳統的脈寬調制拓撲

擴譜調制放大器拓撲

有一種方法可以取代這種昂貴的大尺寸LC濾波器方案，那就是改進(jìn)開(kāi)關(guān)過(guò)程，使放大器在保持高效的同時(shí)降低EMI。D類(lèi)放大器采用獨特的擴譜調制模式，以展寬寬帶頻譜分量，從而使揚聲器和電纜輻射的EMI降至最低。圖2通過(guò)展示了這種D類(lèi)放大器的拓撲。

D類(lèi)放大器調制方案采用了一個(gè)內部生成的鋸齒波，并在輸入部分采用一個(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)差分輸入。


圖2. 單聲道D類(lèi)放大器拓撲

比較器監視D類(lèi)放大器的輸入，并將互補的輸入電壓與鋸齒波進(jìn)行比較。當鋸齒波的幅度超過(guò)輸入電壓時(shí)，比較器A會(huì )輸出一個(gè)低電平，將相應的D類(lèi)輸出(OUT+)拉高至V_DD。當鋸齒波的幅度超過(guò)其輸入電壓時(shí)，比較器B也會(huì )輸出低電平，同樣將相應的D類(lèi)輸出(OUT-)拉高至V_DD。兩個(gè)D類(lèi)輸出都被拉高之后，一個(gè)處于或非門(mén)輸出端的定時(shí)器開(kāi)始計時(shí)，時(shí)間常數為tau，相當于1 / (R_TON * C_TON)。固定時(shí)間(tau)結束后，兩個(gè)D類(lèi)輸出都被拉低至GND，而兩個(gè)比較器均被復位。這個(gè)過(guò)程在第二個(gè)比較器輸出端產(chǎn)生一個(gè)最小脈沖寬度t_ON(MIN)。隨著(zhù)輸入電壓的升高或降低，其中一個(gè)輸出(第一個(gè)比較器會(huì )觸發(fā)翻轉)的脈沖持續時(shí)間會(huì )增加，而另一個(gè)輸出的脈沖持續時(shí)間則維持在t_ON(MIN)，從而導致?lián)P聲器兩端的凈電壓(V_OUT+ - V_OUT-)發(fā)生改變。


圖3. FFM模式下，Maxim的D類(lèi)BTL放大器加載輸入信號后的輸出

固定頻率調制和擴譜調制

Maxim的D類(lèi)放大器采用兩種調制模式：(1) 固定頻率調制(FFM)模式；(2) 擴譜調制模式。FFM模式下(圖3)，鋸齒波的周期保持不變，這一點(diǎn)和傳統的PWM方案是一樣的。擴譜調制模式(圖4)下，鋸齒波的周期會(huì )逐周期發(fā)生改變(變化范圍達±10%)。圖4對鋸齒波的周期變化進(jìn)行了夸大，以更好地展示其效果。


圖4. 擴譜調制模式下，Maxim的D類(lèi)BTL放大器加載輸入信號后的輸出

擴譜調制模式下，其周期的逐周期變化可降低基波頻率下(f_o ±10%)的頻譜能量，同時(shí)擴展特定帶寬(nf_o ±10%，n為正整數)內的諧波分量。這時(shí)大量的頻譜能量并不是集中在開(kāi)關(guān)頻率的各倍頻處，而是在一個(gè)隨頻率而增加的帶寬內展寬。頻率超過(guò)數兆赫茲后，寬帶頻譜看起來(lái)就像是白噪聲，從而達到降低EMI之目的。在FFM模式下，能量包含在較窄的頻帶內，并具有較高的峰值(圖5a)。而在擴譜調制模式下，能量包含在較寬的頻帶內，峰值能量也得以降低(圖5b)。請注意，圖5b中的三次諧波幾乎被噪聲底遮蓋了。


圖5a. Maxim的FFM模式


圖5b. Maxim的擴譜調制模式

擴譜調制模式將EMI輻射降至最低

擴譜調制技術(shù)允許D類(lèi)放大器真正“免除濾波器”，只要揚聲器電纜不是太長(cháng)。傳統的PWM架構通常需要大尺寸的輸出LC濾波器，以確保使用D類(lèi)放大器的消費類(lèi)產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足EMI規范要求。擴譜調制技術(shù)降低了D類(lèi)放大器的輻射，因此輸出不需要濾波或僅需要最小的濾波元件，即可滿(mǎn)足EMI規范要求(見(jiàn)附錄)。

EMI規范要求終端產(chǎn)品必須通過(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)所制定的限制標準，以確保最低程度的電磁干擾。按照這些機構的定義，電磁干擾會(huì )中斷、阻礙或降低電子和/或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頻譜分量的重復頻率來(lái)衡量的。重復頻率越低，準峰值讀數也就越低。¹

擴譜調制充分利用了準峰值檢測的平均特性，從而大大降低EMI的測量結果(表1)。在擴譜調制模式下，D類(lèi)放大器的峰值基波頻率在一定范圍內隨機變化—通常在其基本開(kāi)關(guān)頻率的±10%范圍內。假設分析儀使用120kHz分辨率帶寬進(jìn)行準峰值檢測，那么除了開(kāi)關(guān)頻率基波和幾個(gè)高次諧波外，開(kāi)關(guān)能量在任何單個(gè)中心頻率下都只出現一段時(shí)間。

表1. MAX9759的輻射數據(MAX9759EVKIT，擴譜調制模式下使用3"雙絞線(xiàn)揚聲器電纜并且“無(wú)濾波器”)

結論

D類(lèi)放大器的近似滿(mǎn)擺幅轉換特性和快速開(kāi)關(guān)頻率會(huì )產(chǎn)生較強的射頻輻射和干擾。在揚聲器等發(fā)聲裝置重現音頻內容之前，一般都需要使用龐大且昂貴的LC濾波器來(lái)降低這種高頻干擾。但是現在，如果采用有效的PCB布局以及短的揚聲器電纜，Maxim的擴譜調制技術(shù)可以真正實(shí)現低功率應用的“無(wú)濾波器”工作。

¹若需了解準峰值檢測的更多詳情，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)出版的Reference Publication 16。

附錄

濾波拓撲概況

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；(2) LC，電感和電容；以及(3) “無(wú)濾波器”。某個(gè)特定設計應該選擇哪種濾波技術(shù)，取決于應用的揚聲器電纜長(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

如果揚聲器電纜長(cháng)度適中，FB-C濾波足以滿(mǎn)足EMI限制。與LC濾波相比，FB-C濾波方案更為精簡(jiǎn)，成本效益更高。但是，由于只能在頻率大于10MHz的情況下生效，FB-C濾波的應用范圍受到很大的限制。而且，在頻率低于10MHz的情況下，如果揚聲器電纜走線(xiàn)不合理，也會(huì )導致傳導輻射超標。

LC濾波

相比之下，LC濾波可以在頻率大約為30kHz的情況下即開(kāi)始起到抑制作用。當某設計中所用的電纜線(xiàn)較長(cháng)，而PCB布局又不是很好時(shí)，LC濾波無(wú)疑是一個(gè)“保險的”選擇。但是，LC濾波需要昂貴而龐大的外部元件，這顯然不適合便攜式設備。而且，當頻率大于30MHz，主電感會(huì )自諧振，還會(huì )需要額外的元件來(lái)抑制電磁干擾。

“無(wú)濾波器”濾波

“無(wú)濾波器”放大器拓撲是最具成本效益的方案，因為它省去了額外的濾波元件。采用較短的雙絞線(xiàn)揚聲器電纜時(shí)，D類(lèi)放大器完全可以滿(mǎn)足電磁兼容性標準。但是，和FB-C濾波一樣，如果揚聲器電纜走線(xiàn)不合理，可能出現傳導輻射超標。還需注意，Maxim的D類(lèi)放大器也可以實(shí)現“無(wú)濾波”工作，只要在放大器的開(kāi)關(guān)頻率下?lián)P聲器是感性負載。在輸出電壓進(jìn)行轉換時(shí)，轉換頻率下的大電感值可使過(guò)載電流保持相對恒定。