關鍵詞： D類放大器 , 電磁干擾 , 擴頻調制 , 音頻

對D類放大器拓撲結構進行簡單的回顧有助于更好地理解電磁干擾(EMI)的根源。D類放大器采用參考的三角波或鋸齒波對音頻信號進行調制，并產生一個被放大的通常具有脈沖寬度調制(PWM)開關輸出形式的信號。雖然調制方式可能有所不同，但所有的D類放大器都以由調制頻率所決定的頻率(通常遠高于音頻范圍,一般公認在20Hz"20kHz范圍內)，連續地進行開關操作，輸出滿擺幅信號，因此必須控制方波載波的占空比，使其平均值與輸入信號的瞬時值成正比。典型的開關頻率大于輸入信號中感興趣的最高頻率的10倍。在大多數D類放大器中，還會使用一條帶有誤差信號的反饋路徑，來提高總諧波失真和噪聲(THD+N)性能、電源抑制比(PSRR)和其它一些性能特性。

D類放大器在實際應用中所受的限制是顯而易見的。高頻能量出現在開關頻率和它的諧波以及方波的頻譜成份上。直到不久以前，D類放大器還需要一個低通濾波器(通常為2極點的巴特沃思LC濾波器)，來濾除大電流的高頻方波，只留下音頻信號。在新型的D類放大器中，一種無濾波器的實現方法采用擴音器本身作為低通濾波器元件。這些更新的“無濾波器型”D類放大器在便攜式設計中變得十分流行。不幸的是，由于這一方法所產生的電磁干擾強度超出了傳統的帶有濾波器的D類放大器所允許的要求，所以有可能不允許使用它們。

對D類放大器，曾有過這樣的論述：“在這一實現方法上，人們曾投入過巨大的精力和才智，因為在理論上其效率非常高，但實際應用中卻困難重重，尤其是在一個EMC法規十分嚴格的世界里，我們不清楚200kHz的高功率正弦波是否是一個好的切入點。”便攜式設計的趨勢加劇了電磁干擾問題。由于產品變得越來越小，元件、引線和電線離得越來越近，適當的印刷電路板布局變得越來越困難。由于面積的限制，幾乎不可能再使用濾波器。目前的發展趨勢要求器件的音量越來越高，因而需要更高的功率和電流，從而產生更大的輻射。此外，在單個平臺中融合多種無線通信功能，比如藍牙、Wi-Fi、無線局域網絡等，更使電磁干擾成為一個突出的難題。電磁干擾除了是產品內部需要直接考慮的問題外，與其它外部系統的射頻輻射干擾也是一個需要被考慮的問題。大多數的消費類系統需要通過一些FCC的檢測，這些檢測主要是針對產品的無意輻射對其它使用射頻頻譜器件的干擾問題。

有許多方法可被用來減少電磁干擾，其中之一是減緩方波的邊沿，但這樣會減弱對到來的模擬音頻信號精確采樣的能力并使效率降低，因此是以增大THD+N為代價的。使用LC(電感+電容)濾波器能極大降低電磁干擾，但LC濾波器體積很大并十分昂貴，其尺寸和成本隨輸出功率的增大而增大。一旦引線的長度達到其所傳輸信號波長的四分之一，PCB引線和電線在本質上將產生天線效應，產生大量的輻射，因此通常引線的長度要盡可能地短。

其它一些辦法包括讓傳輸高頻信號的PCB引線從地平面之間通過，并使用絕緣的元件和環形電感等。對于無濾波器的D類系統，連接放大器輸出和揚聲器的引線和電纜長度很可能是最大的射頻輻射源。例如，在靠近放大器的位置與擴音器串聯放置一個鐵氧體磁珠等傳統方法都能有效地降低輻射。鐵氧體磁珠能起到射頻扼流器的作用，衰減高頻信號成份。但是鐵氧體磁珠僅在較窄的頻率范圍內有效，可能難以在整個輸出噪聲的帶寬范圍內提供足夠的衰減。如果PCB布局和濾波器不能將電磁干擾降低到一個可接受的水平，那么可以采用屏蔽措施。電源是另一個可能的電磁干擾源。D類放大器以與出現在電源線上輸出開關邊沿相關的大幅度窄脈沖的形式汲取電流。通過適當的布局和旁路技術能降低與電源相關的電磁干擾。

雖然“事后”降低電磁干擾的方法是有效的，但最好的方法還是一開始就使放大器產生較小干擾。與以前的D類拓撲結構相比，擴頻器件提供了這種可能。擴頻技術不是最近才發展起來的，它的使用歷史已超過半個世紀，最早被用于通信系統和軍用雷達等應用。在過去的十年中，擴頻調制技術被廣泛應用于其它領域，尤其是時鐘電路中，當被用于D類放大器時，擴頻技術也會帶來類似優點。

擴頻調制器能在中心開關頻率附近的一個頻段(例如在300kHz中心頻率附近進行具有±30%的頻率擴展)內調輸出橋的開關頻率。只要頻率變化一直是隨機的，從簡單的掃描到載頻的不相關跳變等各種方法都能作為實際的變頻方法。擴頻調制方案有一些關鍵的優勢：在維持高效率和低THD+N的同時，可降低輻射噪聲和電磁干擾，而總能量并沒有減少。如圖1所示，擴頻后的峰值能量降低了，但總能量保持不變，而是分布到一個更寬的頻帶內。噪聲的帶寬變得更大，但在任何一個頻點上的噪聲峰值都比由固定頻率器件產生的噪聲要小。

圖1：擴頻前后的噪聲和噪聲基底對比。

 

通過在某一頻譜范圍內隨機地改變開關波形的頻率，寬帶的頻譜成份被壓平。圖2通過快速傅立葉變換(FFT)來顯示擴頻技術對噪聲能量的影響，右圖中固定頻率放大器的FFT顯示出集中在諧波上的峰值能量更高，左圖中擴頻調制放大器的FFT顯示出所有的峰值能量都較低，并且諧波較少，從而使噪聲基底更高。

圖2：通過快速傅立葉變換(FFT)顯示的擴頻技術對噪聲能量的影響。

 


擴頻調制技術主要有兩方面的優點：更低的輻射噪聲峰值帶來電磁干擾性能的改善，并能縮小甚至不再需要D類應用中常見的電磁干擾濾波器，例如圖3所示的一款引入擴頻技術的D類音頻放大器。

圖3：帶有擴頻調制技術的D類音頻放大器(LM4675)。

 

表中給出了FCC和CE標準中的D類放大器輻射標準，它們適用于任何不做發射用途的數字消費類器件。所有消費類電子產品在美國和歐洲上市前必須先通過這兩種認證。

表：FCC和歐洲工程標準(CE)的D類放大器輻射標準。

 


如圖4所示，對帶有2英寸揚聲器電纜，且沒有濾波器元件的產品進行初步電磁干擾測試，結果顯示該產品在FCC B級限制測試過程中具有出色的電磁干擾性能。紅線表示FCC B級的限制，噪聲頻譜必須一直低于這條線才符合FCC的發射要求。

圖4：輻射發射30"1,000MHz，對帶有2英寸揚聲器電纜，且沒有濾波器元件的產品進行初步電磁干擾測試的結果。

 

擴頻調制技術為D類音頻放大器的應用帶來了顯著優點，它降低了射頻輻射，并簡化了諸如使用LC濾波器等高成本的降低電磁干擾的策略，極大減小了傳統D類拓撲結構在便攜設計領域中曾面臨的障礙。能從中獲益的相關應用包括任何需要遵從FCC/EC規則或其它諸如Mil-Std-461等與電磁干擾相關規則的便攜式器件。此外，任何需要降低系統噪聲的便攜式設備，如通信設備、音樂播放器、廣播設備以及麥克風等，都能從擴頻技術中獲益。

電磁干擾是系統級設計中需要考慮的重要問題，系統設計人員需要從設計中所使用的單元模塊和元件入手，利用所有可以支配的工具來創建一個高性能的產品，采用具有擴頻調制特性的器件能有效地降低便攜式系統設計的電磁干擾。