擴(kuò)譜調(diào)制模式使D類(lèi)放大器的電磁干擾降至最低

引言

由于功效高于AB類(lèi)放大器，D類(lèi)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(lèi)放大器，因?yàn)閭鹘y(tǒng)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(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(lèi)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展示了一款典型的PWM型、橋接負(fù)載（BTL）D類(lèi)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)榈碗娖健Ｔ诒容^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(mǎn)擺幅轉(zhuǎn)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(hào)的占空比信息中提取音頻內(nèi)容。

擴(kuò)譜調(diào)制放大器拓?fù)?/strong>

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。Maxim公司的D類(lèi)放大器恰好做到了這一點(diǎn)。這種D類(lèi)放大器采用獨(dú)特的、享有專(zhuān)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(lèi)放大器的拓?fù)洹?/p>

Maxim的D類(lèi)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。

比較器監(jiān)視D類(lèi)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(lèi)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(lèi)輸出（OUT-）拉高至VDD.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(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(lèi)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。

固定頻率調(diào)制和擴(kuò)譜調(diào)制

Maxim的D類(lèi)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。

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(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(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。

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(lèi)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(lèi)放大器的消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足EMI規(guī)范要求。Maxim專(zhuān)有的擴(kuò)譜調(diào)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(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。1

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(lèi)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(kāi)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(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(xiàn)一段時(shí)間。

表1.MAX9759的輻射數(shù)據(jù)（MAX9759EVKIT，擴(kuò)譜調(diào)制模式下使用3雙絞線(xiàn)揚(yáng)聲器電纜并且“無(wú)濾波器”）

結(jié)論

D類(lèi)放大器的近似滿(mǎn)擺幅轉(zhuǎn)換特性和快速開(kāi)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。

1若需了解準(zhǔn)峰值檢測(cè)的更多詳情，請(qǐng)參考國(guó)際電

工委員會(huì)下屬的國(guó)際無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì)（CISPR）出版的ReferencePublication16.

附錄

濾波拓?fù)涓艣r用于D類(lèi)功率放大器的濾波器拓?fù)涔灿腥N：（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(shè)計(jì)應(yīng)該選擇哪種濾波技術(shù)，取決于應(yīng)用的揚(yáng)聲器電纜長(zhǎng)度和PCB布局。下面是這三種濾波器拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)：

FB-C濾波

如果揚(yáng)聲器電纜長(zhǎng)度適中，F(xiàn)B-C濾波足以滿(mǎn)足EMI限制。與LC濾波相比，F(xiàn)B-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，F(xiàn)B-C濾波的應(yīng)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(yáng)聲器電纜走線(xiàn)不合理，也會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)輻射超標(biāo)。

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(dāng)某設(shè)計(jì)中所用的電纜線(xiàn)較長(zhǎng)，而PCB布局又不是很好時(shí)，LC濾波無(wú)疑是一個(gè)“保險(xiǎn)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(shè)備。而且，當(dāng)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?fù)涫亲罹叱杀拘б娴姆桨福驗(yàn)樗∪チ祟~外的濾波元件。采用較短的雙絞線(xiàn)揚(yáng)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(biāo)準(zhǔn)。但是，和FB-C濾波一樣，如果揚(yáng)聲器電纜走線(xiàn)不合理，可能出現(xiàn)傳導(dǎo)輻射超標(biāo)。還需注意，Maxim的D類(lèi)放大器也可以實(shí)現(xiàn)“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(fù)載。在輸出電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，轉(zhuǎn)換頻率下的大電感值可使過(guò)載電流保持相對(duì)恒定。

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