中心議題：

• 減輕D類放大器EMI問題的內(nèi)部電路設(shè)計方法

解決方案：

• 邊緣速率控制
• 擴頻時鐘
• 單邊調(diào)制

最近這些年,，許多包含電動揚聲器（Powered speaker）的便攜設(shè)備得到了快速發(fā)展——包括手機,、MP3播放器、GPS系統(tǒng),、膝上型電腦和筆記本電腦,、平板電腦、游戲機,、玩具等等,。在這些應(yīng)用中,，通常選用的驅(qū)動揚聲器的音頻放大器類型被稱為D類（或開關(guān)）放大器，因為相比傳統(tǒng)的AB類放大器設(shè)計,，這類放大器的散熱較少（在緊湊型產(chǎn)品中非常重要）,，且效率較高（延長電池壽命）。D類放大器開關(guān)拓?fù)涞囊粋€可能存在的缺點,，就是其容易發(fā)出電磁輻射,，可能會干擾周邊其它電子設(shè)備?？梢酝ㄟ^外部無源濾波方法將這種干擾緩減到某種程度,，但這會增加最終產(chǎn)品的成本、占位面積以及復(fù)雜性,。本文將探討某些用于減輕EMI問題的內(nèi)部電路設(shè)計方法,。

邊緣速率控制

為了放大音頻信號，D類放大器的輸出（或各種輸出,，以不同的配置） 在兩個電源軌（通常為正極和接地）之間交替切換,，其頻率是所需放大的最高音頻頻率的10倍或更高（可能為300kHz或更高）。開關(guān)信號是經(jīng)過調(diào)制的,，從而通過簡單的,、有時是揚聲器本身包含的低通濾波器來恢復(fù)音頻信號。此開關(guān)轉(zhuǎn)換一般速度非?？?mdash;—也許是2ns或更短——因而包含顯著的高頻能量,。這會導(dǎo)致互連導(dǎo)線纜產(chǎn)生EMI輻射，尤其是在信號路徑中無低通濾波器,，且放大器和揚聲器之間的導(dǎo)線長度非常明顯的情形下（也許超過1cm）,。

用于緩減EMI輻射的一個方法是減低放大器輸出的轉(zhuǎn)換速率（slew rate）。圖1所示為時域中的一個例子,，其上方跡線有2ns的上升和下降時間,，而下方跡線有20ns的上升和下降時間。

轉(zhuǎn)換速率的減?。ㄟ@里的因數(shù)為10） 對于D類放大器產(chǎn)生的輻射能量有著顯著的影響。圖2 顯示了兩種波形的頻譜,，此時D類輸出正處于靜默（無音頻,，占空比=50%），開關(guān)頻率為333kHz,?？梢钥吹截灤┯?0MHz~1GHz之間的大部分頻譜，其高頻（HF）內(nèi)容減少約20dB,。在包含有FM廣播接收電子設(shè)備（88MHz ~ 108MHz）手機或無線互聯(lián)網(wǎng)電路（700MHz ~ 2.7GHz）的系統(tǒng)中,，這可大幅減少EMI，從而降低了可能影響系統(tǒng)性能的風(fēng)險。

擴頻時鐘

上述討論的邊緣速率控制（ERC）是一個有效的方法,，可減弱在30MHz以上頻率范圍產(chǎn)生的EMI （也受限于FCC法規(guī)的限制）,，而D類放大器開關(guān)輸出的基本載波頻率和其落在30MHz以下范圍的相關(guān)奇次諧波（方波），則不太好采用這項技術(shù)來處理,。圖3所示為此頻帶出現(xiàn)的由傳統(tǒng)的,、未修改的D類放大器輸出產(chǎn)生的能量。

為了減小D類輸出頻譜中的基音和泛音尖峰高度,，可以在放大器的時鐘電路中加入少量頻率調(diào)制——也許調(diào)制指數(shù)在±5%左右,，不會影響所放大音頻信號的質(zhì)量。針對調(diào)制信號源的特性有許多選擇,，一個常規(guī)作法是使用帶有重復(fù)頻率（全模式重復(fù)頻率）的偽隨機模式,，其超出最高預(yù)期音頻信號頻率（通常為20kHz）一個適當(dāng)?shù)挠嗔浚@可防止產(chǎn)生可能落入音頻頻帶的音調(diào),。

圖4顯示了和圖3所示相同的D類輸出,，但其帶有±5%調(diào)制,，在40kHz模式重復(fù)頻率下由偽隨機序列來實現(xiàn)。

圖5顯示了圖3和圖4顏色疊加后的圖片,，更清楚地顯示了由擴頻時脈帶來的差異,。能夠看見在整個頻譜范圍內(nèi)，基準(zhǔn)時鐘頻率的奇次諧波被抑制了將近10dB,。

單邊調(diào)制

可以采用一種附加方法來減少EMI,，通過修改調(diào)制方案，當(dāng)音頻基帶信號振幅變得足夠大時,，允許單邊差分或橋式D類輸出對停止切換（圖6）,。這本質(zhì)上允許反向輸出，一直持續(xù)到開關(guān),，以便進行全面調(diào)制,，將輸出信號保持在剩余間隔直至其最高峰值。此方案,，在很大比例時間內(nèi)（取決于音頻源材料）,，僅有一個輸出在開關(guān)，因而EMI（在那個時間內(nèi)）減少了一半,。這增加了優(yōu)勢,，減少了由于功率器件門和其它寄生電容充放電帶來的固定開關(guān)損耗。它還縮短了輸出在ERC轉(zhuǎn)換方面的時間,，如上所述,，該轉(zhuǎn)換有少量的效率代價。此技術(shù)的缺點是放大器的整體前向增益會有些許降低,，同樣地,，總體諧波失真（total harmonic distortion，THD）和噪聲也有少量增加,。帶有和未帶有單邊調(diào)制的D類輸出頻譜如圖7,。

結(jié)論

D類放大器通常用于便攜設(shè)備，因其功率效率超過傳統(tǒng)AB類放大器,。D類技術(shù)的主要缺點是其固有的EMI,，會對周邊電子設(shè)備產(chǎn)生不利影響。現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些有效的IC設(shè)計技術(shù),，能夠極大地緩解EMI問題,，而無需負(fù)擔(dān)額外的外部元件。