展頻調制模式將D類(lèi)放大器的電磁干擾最小化

本文對脈寬調制(PWM)和展頻調制兩種不同的D類(lèi)(轉換模式)放大器技術(shù)進(jìn)行了探討。從傳統意義上來(lái)講，PWM型D類(lèi)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換頻率引起的電磁干擾。而當今的D類(lèi)放大器所采用的展頻調制技術(shù)則讓設計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。

導論

由于功效好于A(yíng)類(lèi)和B類(lèi)放大器，D類(lèi)放大器對便攜式音頻應用設計人員來(lái)說(shuō)更具吸引力。但是，也有一些設計者沒(méi)有在便攜式應用中使用D類(lèi)放大器，因為傳統的PWM D類(lèi)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(lèi)放大器展頻調制技術(shù)則讓設計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(lèi)放大器在便攜式音頻應用中的推廣。

傳統的脈寬調制放大器拓撲

圖1展示的是一個(gè)典型的PWM橋接式負載D類(lèi)放大器。這種方案利用一個(gè)內部生成的鋸齒波形來(lái)作為輸入級的參考。其中有一個(gè)比較儀監控著(zhù)模擬輸入電壓，并將之和鋸齒波形相比較。當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)轉換器來(lái)生成一個(gè)補充PWM波形，用于BTL輸出的第二腳。

因為其軌至軌振幅和快速轉換頻率會(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信號的任務(wù)周期中提取音頻內容。

圖1. 傳統的脈寬調制拓撲

展頻調制放大器拓撲

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(lèi)放大器正是做到了這一點(diǎn)。它的這種D類(lèi)放大器采用獨特的專(zhuān)利展頻調制模式，使寬帶光譜組件相形見(jiàn)拙，將喇叭和接線(xiàn)發(fā)出的EMI最小化。圖2通過(guò)Maxim公司的MAX9700型D類(lèi)放大器展示了這種D類(lèi)放大器的拓撲。

Maxim的D類(lèi)放大器的調制方案采用了一個(gè)內部生成的鋸齒波形，并在輸入部分采用了一個(gè)互補信號對。如果沒(méi)有互補輸入信號，則會(huì )在IC內部產(chǎn)生一個(gè)微分輸入。

圖2：?jiǎn)温暤繢類(lèi)放大器拓撲

比較儀監控著(zhù)D類(lèi)放大器的輸入，并將補充輸入電壓和鋸齒波形相比較。當鋸齒波形大小超過(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，將相應的D類(lèi)輸出(OUT+)拉高至VDD。當鋸齒波形大小超過(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，同樣將相應的D類(lèi)輸出(OUT-)拉高至VDD。在兩個(gè)D類(lèi)輸出都被拉高之后，一個(gè)計時(shí)器從一個(gè)簡(jiǎn)單的或非門(mén)輸出處開(kāi)始計時(shí)，時(shí)間常數為tau，相當于1 / (RTON * CTON)。在一個(gè)固定的時(shí)間內(tau)，兩個(gè)D類(lèi)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(zhù)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))的脈沖持續時(shí)間會(huì )上升，而另一個(gè)輸出上脈沖的持續時(shí)間則維持在tON(MIN) ，從而導致穿過(guò)喇叭的凈電壓(VOUT+ - VOUT-)發(fā)生改變。

圖3：Maxim公司的應用了輸入信號FFM模式的D類(lèi)BTL輸出

固定頻率調制和展頻調制

Maxim的D類(lèi)技術(shù)采用了兩種調制模式：(1)固定頻率調制(FFM)模式和(2)展頻調制模式。在FFM模式中(如圖3)，鋸齒波形的持續時(shí)間保持不變，這一點(diǎn)和其在傳統的PWM方案中是一樣的。在展頻調制模式(如圖4)中，鋸齒波長(cháng)的持續時(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的采用了輸入信號展頻調制模式的D類(lèi)BTL輸出

展頻調制模式將EMI干擾最小化

Maxim的展頻技術(shù)可以讓D類(lèi)放大器真正舍棄濾波器而工作，只要喇叭線(xiàn)不是太長(cháng)。大輸出LC濾波器一般是傳統的PWM結構才需要的，以確保含有D類(lèi)放大器的消費品能夠符合電磁兼容性規格。Maxim專(zhuān)有的展頻技術(shù)降低了D類(lèi)放大器的輻射，使之可以滿(mǎn)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)現有的準峰值檢測限制-例如由CE(歐洲共同體，歐洲標準)和FCC(聯(lián)邦通信委員會(huì )，美國標準)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備的有效性能。在準峰值檢測中，所測定的信號等級是由信號光譜分量的重復頻率來(lái)衡量的。重復頻率越低，所顯示的準峰值也就越低1。

展頻調制充分發(fā)揮了準峰值檢測的作用，大大降低了電磁干擾(表格1)。在展頻調制模式中，D類(lèi)放大器的峰值基本頻率可以為一定范圍內的任意數值 - 一般與其基本轉換頻率偏差±10%。假設準峰值檢測在分析儀中以一個(gè)120kHz的分辨率帶寬來(lái)進(jìn)行，那么除了基本轉換頻率和一開(kāi)始的幾次諧波，轉換頻率在任何一個(gè)中心頻率中都只顯示一段時(shí)間。

總結

D類(lèi)放大器的近軌至軌振幅和快速轉換頻率會(huì )帶來(lái)高射頻輻射和干擾。當音頻內容在變頻器被復制之前，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。但是現在，Maxim的展頻調制技術(shù)可以讓D類(lèi)放大器在采用了高效PCB板布局和相對短的喇叭線(xiàn)的情況下，真正實(shí)現低功耗“無(wú)濾波”操作。