減少D類放大器中的電磁干擾

D類(或開關(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。

　　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(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)換速率的減小(這里的因數(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%)，開關(guān)頻率為333kHz。可以看到貫穿于30MHz~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)?？偟膩?lái)說(shuō)，由于增添ERC而產(chǎn)生的效率代價(jià)可能為1% ~ 2%。

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。