展頻調(diào)制模式將D類放大器的電磁干擾最小化

本文對(duì)脈寬調(diào)制(PWM)和展頻調(diào)制兩種不同的D類(轉(zhuǎn)換模式)放大器技術(shù)進(jìn)行了探討。從傳統(tǒng)意義上來(lái)講，PWM型D類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(zhuǎn)換頻率引起的電磁干擾。而當(dāng)今的D類放大器所采用的展頻調(diào)制技術(shù)則讓設(shè)計(jì)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(dǎo)論

由于功效好于A類和B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)者沒(méi)有在便攜式應(yīng)用中使用D類放大器，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的PWM D類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類放大器展頻調(diào)制技術(shù)則讓設(shè)計(jì)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)?/strong>

圖1展示的是一個(gè)典型的PWM橋接式負(fù)載D類放大器。這種方案利用一個(gè)內(nèi)部生成的鋸齒波形來(lái)作為輸入級(jí)的參考。其中有一個(gè)比較儀監(jiān)控著模擬輸入電壓，并將之和鋸齒波形相比較。當(dāng)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(zhuǎn)換器來(lái)生成一個(gè)補(bǔ)充PWM波形，用于BTL輸出的第二腳。

因?yàn)槠滠壷淋壵穹涂焖俎D(zhuǎn)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(hào)的任務(wù)周期中提取音頻內(nèi)容。

圖1. 傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制拓?fù)?/p>

展頻調(diào)制放大器拓?fù)?/strong>

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(zhuǎn)換程序，讓放大器在保持高效的同時(shí)降低EMI。Maxim公司的D類放大器正是做到了這一點(diǎn)。它的這種D類放大器采用獨(dú)特的專利展頻調(diào)制模式，使寬帶光譜組件相形見(jiàn)拙，將喇叭和接線發(fā)出的EMI最小化。圖2通過(guò)Maxim公司的MAX9700型D類放大器展示了這種D類放大器的拓?fù)洹?/p>

Maxim的D類放大器的調(diào)制方案采用了一個(gè)內(nèi)部生成的鋸齒波形，并在輸入部分采用了一個(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)微分輸入。

圖2：?jiǎn)温暤繢類放大器拓?fù)?/p>

比較儀監(jiān)控著D類放大器的輸入，并將補(bǔ)充輸入電壓和鋸齒波形相比較。當(dāng)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(hào)，將相應(yīng)的D類輸出(OUT+)拉高至VDD。當(dāng)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(yīng)的D類輸出(OUT-)拉高至VDD。在兩個(gè)D類輸出都被拉高之后，一個(gè)計(jì)時(shí)器從一個(gè)簡(jiǎn)單的或非門輸出處開(kāi)始計(jì)時(shí)，時(shí)間常數(shù)為tau，相當(dāng)于1 / (RTON * CTON)。在一個(gè)固定的時(shí)間內(nèi)(tau)，兩個(gè)D類輸出都被拉高至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(xù)時(shí)間會(huì)上升，而另一個(gè)輸出上脈沖的持續(xù)時(shí)間則維持在tON(MIN) ，從而導(dǎo)致穿過(guò)喇叭的凈電壓(VOUT+ - VOUT-)發(fā)生改變。

圖3：Maxim公司的應(yīng)用了輸入信號(hào)FFM模式的D類BTL輸出

固定頻率調(diào)制和展頻調(diào)制

Maxim的D類技術(shù)采用了兩種調(diào)制模式：(1)固定頻率調(diào)制(FFM)模式和(2)展頻調(diào)制模式。在FFM模式中(如圖3)，鋸齒波形的持續(xù)時(shí)間保持不變，這一點(diǎn)和其在傳統(tǒng)的PWM方案中是一樣的。在展頻調(diào)制模式(如圖4)中，鋸齒波長(zhǎng)的持續(xù)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(duì)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(hào)展頻調(diào)制模式的D類BTL輸出

展頻調(diào)制模式將EMI干擾最小化

Maxim的展頻技術(shù)可以讓D類放大器真正舍棄濾波器而工作，只要喇叭線不是太長(zhǎng)。大輸出LC濾波器一般是傳統(tǒng)的PWM結(jié)構(gòu)才需要的，以確保含有D類放大器的消費(fèi)品能夠符合電磁兼容性規(guī)格。Maxim專有的展頻技術(shù)降低了D類放大器的輻射，使之可以滿足電磁兼容性要求，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(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-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(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)光譜分量的重復(fù)頻率來(lái)衡量的。重復(fù)頻率越低，所顯示的準(zhǔn)峰值也就越低1。

展頻調(diào)制充分發(fā)揮了準(zhǔn)峰值檢測(cè)的作用，大大降低了電磁干擾(表格1)。在展頻調(diào)制模式中，D類放大器的峰值基本頻率可以為一定范圍內(nèi)的任意數(shù)值 - 一般與其基本轉(zhuǎn)換頻率偏差±10%。假設(shè)準(zhǔn)峰值檢測(cè)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(zhuǎn)換頻率和一開(kāi)始的幾次諧波，轉(zhuǎn)換頻率在任何一個(gè)中心頻率中都只顯示一段時(shí)間。

總結(jié)

D類放大器的近軌至軌振幅和快速轉(zhuǎn)換頻率會(huì)帶來(lái)高射頻輻射和干擾。當(dāng)音頻內(nèi)容在變頻器被復(fù)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(xiàn)在，Maxim的展頻調(diào)制技術(shù)可以讓D類放大器在采用了高效PCB板布局和相對(duì)短的喇叭線的情況下，真正實(shí)現(xiàn)低功耗“無(wú)濾波”操作。