【導(dǎo)讀】在手機(jī)、GPS系統(tǒng)、膝上型電腦和筆記本電腦、平板電腦、游戲機(jī)、玩具等，這些電子產(chǎn)品中通常選用的驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的音頻放大器類型被稱為D類（或開(kāi)關(guān)）放大器，因?yàn)橄啾葌鹘y(tǒng)的AB類放大器設(shè)計(jì)，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(zhǎng)電池壽命）。
D類放大器開(kāi)關(guān)拓?fù)涞囊粋€(gè)可能存在的缺點(diǎn)，就是其容易發(fā)出電磁輻射，可能會(huì)干擾周邊其它電子設(shè)備?？梢酝ㄟ^(guò)外部無(wú)源濾波方法將這種干擾緩減到某種程度，但這會(huì)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(wèn)題的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)方法。
第一 邊緣速率控制
為了放大音頻信號(hào)，D類放大器的輸出（或各種輸出，以不同的配置） 在兩個(gè)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(kāi)關(guān)信號(hào)是經(jīng)過(guò)調(diào)制的，從而通過(guò)簡(jiǎn)單的、有時(shí)是揚(yáng)聲器本身包含的低通濾波器來(lái)恢復(fù)音頻信號(hào)。此開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換一般速度非常快——也許是2ns或更短——因而包含顯著的高頻能量。這會(huì)導(dǎo)致互連導(dǎo)線纜產(chǎn)生EMI輻射，尤其是在信號(hào)路徑中無(wú)低通濾波器，且放大器和揚(yáng)聲器之間的導(dǎo)線長(zhǎng)度非常明顯的情形下（也許超過(guò)1cm）。
用于緩減EMI輻射的一個(gè)方法是減低放大器輸出的轉(zhuǎn)換速率（slew rate）。圖1所示為時(shí)域中的一個(gè)例子，其上方跡線有2ns的上升和下降時(shí)間，而下方跡線有20ns的上升和下降時(shí)間。
轉(zhuǎn)換速率的減?。ㄟ@里的因數(shù)為10） 對(duì)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(shí)D類輸出正處于靜默（無(wú)音頻，占空比=50%），開(kāi)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(jī)或無(wú)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(xiǎn)。
圖2清楚地顯示了邊緣速率控制（edge rate control，ERC）技術(shù)減少EMI的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)代價(jià)是增加了損耗。
首先是D類放大器提供的效率優(yōu)勢(shì)，主要來(lái)自于輸出器件始終完全開(kāi)啟或完全關(guān)閉，因此輸出器件中的瞬時(shí)耗散功率P= VI，在所有時(shí)間里基本上保持為零 （不同于AB類放大器，其功率器件的VI乘積從不為零）。
在每次開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)引入（或增加）時(shí)間跨度，其間V ≠ 0，同時(shí)負(fù)載電流I ≠ 0，導(dǎo)致片上功耗適度增加，因而帶來(lái)效率的降低。其次，一個(gè)非ERC輸出級(jí)在本質(zhì)上僅是一個(gè)大型逆變器（可能包括直通或短路沖擊電流的緩減），而一個(gè)ERC輸出級(jí)包含附加電路，能夠調(diào)節(jié)上拉和下拉器件的觸發(fā)電壓，以便在輸出端上產(chǎn)生期望的、受控制的轉(zhuǎn)換速率。取決于所使用的方法，這增加了芯片面積（成本）和電流消耗（降低效率）。
總的來(lái)說(shuō)，由于增添ERC而產(chǎn)生的效率代價(jià)可能為1% ~ 2%。
第二 擴(kuò)頻時(shí)鐘
上述討論的邊緣速率控制（ERC）是一個(gè)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(kāi)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(xiàng)技術(shù)來(lái)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(shí)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(huì)影響所放大音頻信號(hào)的質(zhì)量。針對(duì)調(diào)制信號(hào)源的特性有許多選擇，一個(gè)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(jī)模式，其超出最高預(yù)期音頻信號(hào)頻率（通常為20kHz）一個(gè)適當(dāng)?shù)挠嗔?，這可防止產(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(jī)序列來(lái)實(shí)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(kuò)頻時(shí)脈帶來(lái)的差異。能夠看見(jiàn)在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)，基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率的奇次諧波被抑制了將近10dB。
第三 單邊調(diào)制
可以采用一種附加方法來(lái)減少EMI，通過(guò)修改調(diào)制方案，當(dāng)音頻基帶信號(hào)振幅變得足夠大時(shí)，允許單邊差分或橋式D類輸出對(duì)停止切換（圖6）。這本質(zhì)上允許反向輸出，一直持續(xù)到開(kāi)關(guān)，以便進(jìn)行全面調(diào)制，將輸出信號(hào)保持在剩余間隔直至其最高峰值。
此方案，在很大比例時(shí)間內(nèi)（取決于音頻源材料），僅有一個(gè)輸出在開(kāi)關(guān)，因而EMI（在那個(gè)時(shí)間內(nèi)）減少了一半。這增加了優(yōu)勢(shì)，減少了由于功率器件門和其它寄生電容充放電帶來(lái)的固定開(kāi)關(guān)損耗。它還縮短了輸出在ERC轉(zhuǎn)換方面的時(shí)間，如上所述，該轉(zhuǎn)換有少量的效率代價(jià)。此技術(shù)的缺點(diǎn)是放大器的整體前向增益會(huì)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。
第四 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(guò)傳統(tǒng)AB類放大器。D類技術(shù)的主要缺點(diǎn)是其固有的EMI，會(huì)對(duì)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(jì)技術(shù)，能夠極大地緩解EMI問(wèn)題，而無(wú)需負(fù)擔(dān)額外的外部元件。
推薦閱讀：
