【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)動揚聲器的音頻放大器類型被稱為D類(或開關(guān))放大器,因為相比傳統(tǒng)的AB類放大器設(shè)計,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(延長電池壽命)。
D類放大器開關(guān)拓?fù)涞囊粋€可能存在的缺點,就是其容易發(fā)出電磁輻射,可能會干擾周邊其它電子設(shè)備??梢酝ㄟ^外部無源濾波方法將這種干擾緩減到某種程度,但這會增加最終產(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問題的內(nèi)部電路設(shè)計方法。
第一 邊緣速率控制
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(guān)信號是經(jīng)過調(diào)制的,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復(fù)音頻信號。此開關(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。這會導(dǎo)致互連導(dǎo)線纜產(chǎn)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(dǎo)線長度非常明顯的情形下(也許超過1cm)。
用于緩減EMI輻射的一個方法是減低放大器輸出的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率的減小(這里的因數(shù)為10) 對于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D類輸出正處于靜默(無音頻,占空比=50%),開關(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。
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,不過代價是增加了損耗。
首先是D類放大器提供的效率優(yōu)勢,主要來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耗散功率P= VI,在所有時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)換時引入(或增加)時間跨度,其間V ≠ 0,同時負(fù)載電流I ≠ 0,導(dǎo)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(zhì)上僅是一個大型逆變器(可能包括直通或短路沖擊電流的緩減),而一個ERC輸出級包含附加電路,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)。
總的來說,由于增添ERC而產(chǎn)生的效率代價可能為1% ~ 2%。
第二 擴(kuò)頻時鐘
上述討論的邊緣速率控制(ERC)是一個有效的方法,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),則不太好采用這項技術(shù)來處理。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,不會影響所放大音頻信號的質(zhì)量。針對調(diào)制信號源的特性有許多選擇,一個常規(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)期音頻信號頻率(通常為20kHz)一個適當(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)序列來實現(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)頻時脈帶來的差異。能夠看見在整個頻譜范圍內(nèi),基準(zhǔn)時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減少EMI,通過修改調(diào)制方案,當(dāng)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(zhì)上允許反向輸出,一直持續(xù)到開關(guān),以便進(jìn)行全面調(diào)制,將輸出信號保持在剩余間隔直至其最高峰值。
此方案,在很大比例時間內(nèi)(取決于音頻源材料),僅有一個輸出在開關(guān),因而EMI(在那個時間內(nèi))減少了一半。這增加了優(yōu)勢,減少了由于功率器件門和其它寄生電容充放電帶來的固定開關(guān)損耗。它還縮短了輸出在ERC轉(zhuǎn)換方面的時間,如上所述,該轉(zhuǎn)換有少量的效率代價。此技術(shù)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(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,因其功率效率超過傳統(tǒng)AB類放大器。D類技術(shù)的主要缺點是其固有的EMI,會對周邊電子設(shè)備產(chǎn)生不利影響?,F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些有效的IC設(shè)計技術(shù),能夠極大地緩解EMI問題,而無需負(fù)擔(dān)額外的外部元件。
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