引言
由于功效高于AB類放大器,，D類放大器對(duì)便攜式音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)更具吸引力。但是,，也有一些設(shè)計(jì)者并未在便攜式應(yīng)用中使用D類放大器,，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的PWM型D類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類放大器擴(kuò)譜調(diào)制技術(shù)則讓設(shè)計(jì)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類放大器在便攜式音頻應(yīng)用中的推廣。
傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制放大器拓?fù)?/p>
圖1展示了一款典型的PWM型,、橋接負(fù)載(BTL) D類放大器,。PWM方案通常利用一個(gè)內(nèi)部生成的鋸齒波作為其輸入級(jí)的基準(zhǔn)。其中有一個(gè)比較器監(jiān)視模擬輸入電壓,，并將其與鋸齒波進(jìn)行比較,。當(dāng)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(bǔ)的PWM波形,，用于控制BTL輸出的第二橋臂。
因?yàn)槠錆M擺幅轉(zhuǎn)換特性和快速開關(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(hào)的占空比信息中提取音頻內(nèi)容,。
圖1. 傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制拓?fù)?/p>
擴(kuò)譜調(diào)制放大器拓?fù)?/p>
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)開關(guān)過(guò)程，使放大器在保持高效的同時(shí)降低EMI,。Maxim公司的D類放大器恰好做到了這一點(diǎn),。這種D類放大器采用獨(dú)特的、享有專利的擴(kuò)譜調(diào)制模式,，以展寬寬帶頻譜分量,，從而使揚(yáng)聲器和電纜輻射的EMI降至最低。圖2通過(guò)Maxim公司的MAX9700展示了這種D類放大器的拓?fù)洹?/p>
Maxim的D類放大器調(diào)制方案采用了一個(gè)內(nèi)部生成的鋸齒波,，并在輸入部分采用一個(gè)互補(bǔ)信號(hào)對(duì),。如果沒(méi)有互補(bǔ)輸入信號(hào)，則會(huì)在IC內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)差分輸入,。
圖2. 單聲道D類放大器拓?fù)?/p>
比較器監(jiān)視D類放大器的輸入,，并將互補(bǔ)的輸入電壓與鋸齒波進(jìn)行比較,。當(dāng)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(yīng)的D類輸出(OUT+)拉高至VDD,。當(dāng)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(yīng)的D類輸出(OUT-)拉高至VDD,。兩個(gè)D類輸出都被拉高之后，一個(gè)處于或非門輸出端的定時(shí)器開始計(jì)時(shí),，時(shí)間常數(shù)為tau,，相當(dāng)于1 / (RTON * CTON)。固定時(shí)間(tau)結(jié)束后,，兩個(gè)D類輸出都被拉低至GND,，而兩個(gè)比較器均被復(fù)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tON (MIN),。隨著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(zhuǎn))的脈沖持續(xù)時(shí)間會(huì)增加，而另一個(gè)輸出的脈沖持續(xù)時(shí)間則維持在tON(MIN),，從而導(dǎo)致?lián)P聲器兩端的凈電壓(VOUT+ - VOUT-)發(fā)生改變,。
圖3. FFM模式下，Maxim的D類BTL放大器加載輸入信號(hào)后的輸出
固定頻率調(diào)制和擴(kuò)譜調(diào)制
Maxim的D類放大器采用兩種調(diào)制模式：(1) 固定頻率調(diào)制(FFM)模式,；(2) 擴(kuò)譜調(diào)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(tǒng)的PWM方案是一樣的,。擴(kuò)譜調(diào)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(dá)±10%),。圖4對(duì)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(kuò)譜調(diào)制模式下,，Maxim的D類BTL放大器加載輸入信號(hào)后的輸出
擴(kuò)譜調(diào)制模式下,，其周期的逐周期變化可降低基波頻率下(fo ±10%)的頻譜能量，同時(shí)擴(kuò)展特定帶寬(nfo ±10%,，n為正整數(shù))內(nèi)的諧波分量,。這時(shí)大量的頻譜能量并不是集中在開關(guān)頻率的各倍頻處，而是在一個(gè)隨頻率而增加的帶寬內(nèi)展寬,。頻率超過(guò)數(shù)兆赫茲后,，寬帶頻譜看起來(lái)就像是白噪聲，從而達(dá)到降低EMI之目的,。在FFM模式下,，能量包含在較窄的頻帶內(nèi)，并具有較高的峰值(圖5a),。而在擴(kuò)譜調(diào)制模式下,，能量包含在較寬的頻帶內(nèi)，峰值能量也得以降低(圖5b),。請(qǐng)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(kuò)譜調(diào)制模式
擴(kuò)譜調(diào)制模式將EMI輻射降至最低
Maxim的擴(kuò)譜調(diào)制技術(shù)允許D類放大器真正“免除濾波器”,，只要揚(yáng)聲器電纜不是太長(zhǎng),。傳統(tǒng)的PWM架構(gòu)通常需要大尺寸的輸出LC濾波器，以確保使用D類放大器的消費(fèi)類產(chǎn)品能夠滿足EMI規(guī)范要求,。Maxim專有的擴(kuò)譜調(diào)制技術(shù)降低了D類放大器的輻射,，因此輸出不需要濾波或僅需要最小的濾波元件，即可滿足EMI規(guī)范要求(見(jiàn)附錄),。
EMI規(guī)范要求終端產(chǎn)品必須通過(guò)現(xiàn)有的準(zhǔn)峰值檢測(cè)限制-例如由CE (歐洲共同體,，歐洲標(biāo)準(zhǔn))和FCC (聯(lián)邦通信委員會(huì)，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn))所制定的限制標(biāo)準(zhǔn),，以確保最低程度的電磁干擾,。按照這些機(jī)構(gòu)的定義，電磁干擾會(huì)中斷,、阻礙或降低電子和/或電氣設(shè)備的有效性能,。在準(zhǔn)峰值檢測(cè)中，所測(cè)定的信號(hào)等級(jí)是由信號(hào)頻譜分量的重復(fù)頻率來(lái)衡量的,。重復(fù)頻率越低,，準(zhǔn)峰值讀數(shù)也就越低。
擴(kuò)譜調(diào)制充分利用了準(zhǔn)峰值檢測(cè)的平均特性,，從而大大降低EMI的測(cè)量結(jié)果(表1),。在擴(kuò)譜調(diào)制模式下，D類放大器的峰值基波頻率在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化-通常在其基本開關(guān)頻率的±10%范圍內(nèi),。假設(shè)分析儀使用120kHz分辨率帶寬進(jìn)行準(zhǔn)峰值檢測(cè),，那么除了開關(guān)頻率基波和幾個(gè)高次諧波外，開關(guān)能量在任何單個(gè)中心頻率下都只出現(xiàn)一段時(shí)間,。
結(jié)論
D類放大器的近似滿擺幅轉(zhuǎn)換特性和快速開關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的射頻輻射和干擾,。在揚(yáng)聲器等發(fā)聲裝置重現(xiàn)音頻內(nèi)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(xiàn)在,，如果采用有效的PCB布局以及短的揚(yáng)聲器電纜，Maxim的擴(kuò)譜調(diào)制技術(shù)可以真正實(shí)現(xiàn)低功率應(yīng)用的“無(wú)濾波器”工作,。