D類lei放fang大da器qi開kai關guan拓tuo撲pu的de一yi個ge可ke能neng存cun在zai的de缺que點dian，就jiu是shi其qi容rong易yi發fa出chu電dian磁ci輻fu射she，可ke能neng會hui幹gan擾rao周zhou邊bian其qi它ta電dian子zi設she備bei。可ke以yi通tong過guo外wai部bu無wu源yuan濾lv波bo方fang法fa將jiang這zhe種zhong幹gan擾rao緩huan減jian到dao某mou種zhong程cheng度du
，但dan這zhe會hui增zeng加jia最zui終zhong產chan品pin的de成cheng本ben、占位麵積以及複雜性。本文將探討某些用於減輕EMI問題的內部電路設計方法。

 

第一 邊緣速率控製

 

為了放大音頻信號，D類放大器的輸出（或各種輸出，以不同的配置） 在兩個電源軌（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）。

 

開關信號是經過調製的
，從而通過簡單的
、有時是揚聲器本身包含的低通濾波器來恢複音頻信號。此開關轉換一般速度非常快——也許是2ns或更短——因而包含顯著的高頻能量。這會導致互連導線纜產生EMI輻射，尤其是在信號路徑中無低通濾波器，且放大器和揚聲器之間的導線長度非常明顯的情形下（也許超過1cm）。

 

用於緩減EMI輻射的一個方法是減低放大器輸出的轉換速率（slew rate）。圖1所示為時域中的一個例子，其上方跡線有2ns的上升和下降時間
，而下方跡線有20ns的上升和下降時間。

 

轉換速率的減小（這裏的因數為10） 對於D類放大器產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D類輸出正處於靜默（無音頻
，占空比=50%），開關頻率為333kHz。可以看到貫穿於30MHz~1GHz之間的大部分頻譜，其高頻（HF）內容減少約20dB。在包含有FM廣播接收電子設備（88MHz ~ 108MHz）手機或無線互聯網電路（700MHz ~ 2.7GHz）的係統中
，這可大幅減少EMI，從而降低了可能影響係統性能的風險。

 

 

圖2清楚地顯示了邊緣速率控製（edge rate control，ERC）技術減少EMI的優勢
，不過代價是增加了損耗。

 

首先是D類放大器提供的效率優勢，主要來自於輸出器件始終完全開啟或完全關閉，因此輸出器件中的瞬時耗散功率P= VI，在所有時間裏基本上保持為零 （不同於AB類放大器，其功率器件的VI乘積從不為零）。

 

在每次開關轉換時引入（或增加）時間跨度
，其間V ≠ 0，同時負載電流I ≠ 0
，導致片上功耗適度增加
，因而帶來效率的降低。其次，一個非ERC輸出級在本質上僅是一個大型逆變器（可能包括直通或短路衝擊電流的緩減）
，而一個ERC輸出級包含附加電路，能夠調節上拉和下拉器件的觸發電壓

，以便在輸出端上產生期望的、受控製的轉換速率。取決於所使用的方法，這增加了芯片麵積（成本）和電流消耗（降低效率）。

 

總的來說，由於增添ERC而產生的效率代價可能為1% ~ 2%。

 

 

第二 擴頻時鍾

 

上述討論的邊緣速率控製（ERC）是一個有效的方法，可減弱在30MHz以上頻率範圍產生的EMI （也受限於FCC法規的限製），而D類放大器開關輸出的基本載波頻率和其落在30MHz以下範圍的相關奇次諧波（方波）
，則不太好采用這項技術來處理。圖3所示為此頻帶出現的由傳統的、未修改的D類放大器輸出產生的能量。

 

 

為了減小D類輸出頻譜中的基音和泛音尖峰高度
，可以在放大器的時鍾電路中加入少量頻率調製——也許調製指數在±5%左右

，不會影響所放大音頻信號的質量。針對調製信號源的特性有許多選擇，一個常規作法是使用帶有重複頻率（全模式重複頻率）的偽隨機模式，其超出最高預期音頻信號頻率（通常為20kHz）一個適當的餘量，這可防止產生可能落入音頻頻帶的音調。

 

圖4顯示了和圖3所示相同的D類輸出
，但其帶有±5%調製，在40kHz模式重複頻率下由偽隨機序列來實現。

 

 

圖5顯示了圖3和圖4顏色疊加後的圖片
，更清楚地顯示了由擴頻時脈帶來的差異。能夠看見在整個頻譜範圍內，基準時鍾頻率的奇次諧波被抑製了將近10dB。

 

 

第三 單邊調製

 

可以采用一種附加方法來減少EMI
，通過修改調製方案，當音頻基帶信號振幅變得足夠大時，允許單邊差分或橋式D類輸出對停止切換（圖6）。這本質上允許反向輸出，一直持續到開關

，以便進行全麵調製，將輸出信號保持在剩餘間隔直至其最高峰值。

 

此方案，在很大比例時間內（取決於音頻源材料）
，僅有一個輸出在開關，因而EMI（在那個時間內）減少了一半。這增加了優勢，減少了由於功率器件門和其它寄生電容充放電帶來的固定開關損耗。它還縮短了輸出在ERC轉換方麵的時間
，如上所述，該轉換有少量的效率代價。此技術的缺點是放大器的整體前向增益會有些許降低，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製的D類輸出頻譜如圖7。

 

 

 

 

第四 結論

 

D類放大器通常用於便攜設備，因其功率效率超過傳統AB類放大器。D類技術的主要缺點是其固有的EMI，會對周邊電子設備產生不利影響。現在已經出現了一些有效的IC設計技術
，能夠極大地緩解EMI問題，而無需負擔額外的外部元件。

 

 

推薦閱讀：