原创 减少D类放大器中的电磁干扰

边缘速率控制

为了放大音频信号，D类放大器的输出(或各种输出，以不同的配置) 在两个电源轨(通常为正极和接地)之间交替切换，其频率是所需放大的最高音频频率的10倍或更高(可能为300kHz或更高)。开关信号是经过调制的，从 而通过简单的、有时是扬声器本身包含的低通滤波器来恢复音频信号。此开关转换一般速度非常快——也许是2ns或更短——因而包含显著的高频能量。这会导致 互连导线缆产生EMI辐射，尤其是在信号路径中无低通滤波器，以及放大器和扬声器之间的导线长度是非常明显的情形下(也许超过1cm)。

用于缓减EMI辐射的一个方法是减低放大器输出的转换速率(slew rate)。图1所示为时域中的一个例子，其上方迹线有2ns的上升和下降时间，而下方迹线有20ns的上升和下降时间。

图1. 具有2ns和20ns转换时间的D类放大器输出波形

转换速率的减小(这里的因数为10) 对于D类放大器产生的辐射能量有着显著的影响。图2 显示了两种波形的频谱，此时D类输出正处于静默(无音频，占空比=50%)，开关频率为333kHz。可以看到贯穿于30MHz至1GHz之间的大部分频 谱，其高频(HF)内容减少约20dB。在包含有FM广播接收电子设备(88MHz – 108MHz)和/或手机或无线互联网电路(700MHz – 2.7GHz)的系统中，这可大幅减少EMI，从而降低了可能影响系统性能的风险。

图2. 在2ns(红色)和20ns(蓝色)上升和下降时间的D类输出频谱

图2清楚地显示了边缘速率控制(edge rate control，ERC)技术减少EMI的优势，不过代价是增加了损耗。首先是D类放大器提供的效率优势，主要来自于输出器件始终完全开启或完全关闭，因 此输出器件中的瞬时耗散功率，P= VI，在所有时间里基本上保持为零 (不同于AB类放大器，其功率器件的VI乘积从不为零)。在每次开关转换时引入(或增加)时间跨度，其间V ≠ 0，同时负载电流I ≠ 0，导致片上功耗适度增加，因而带来效率的降低。其次，一个非ERC输出级在本质上仅是一个大型逆变器(可能包括直通或短路冲击电流的缓减)，而一个 ERC输出级包含附加电路，能够调节上拉和下拉器件的触发电压，以便在输出端上产生期望的、受控制的转换速率。取决于所使用的方法，这增加了芯片面积(成 本)和电流消耗(降低效率)。总的来说，由于增添ERC而产生的效率代价可能为1-2%。

扩频时钟

上述讨论的边缘速率控制(ERC)是一个有效的方法，可减弱在30MHz以上频率范围产生的EMI (也受限于FCC法规的限制)，而D类放大器开关输出的基本载波频率和其落在30MHz以下范围的相关奇次谐波(方波)，则不太好采用这项技术来处理。图 3所示为此频带出现的由传统的、未修改的D类放大器输出产生的能量。

图3.  无扩频时脉的D类输出频谱

为了减小D类输出频谱中的基音和泛音尖峰高度，可以在放大器的时钟电路中加入少量频率调制——也许调制指数在+/-5%左右，不会影响所放大音频信号的质 量。虽然针对调制信号源的特性有许多选择，一个常规作法是使用带有重复频率(全模式重复频率)的伪随机模式，其超出最高预期音频信号频率(通常为 20kHz)一个适当的余量，这可防止产生可能落入音频频带的音调。

图4显示了和图3所示相同的D类输出，但其带有+/-5%调制，在40kHz模式重复频率下由伪随机序列来实现。

图4. 带有扩频时脉的D类输出频谱

图5. 带有(蓝色)和未带有(棕色)扩频时脉的D类输出频谱

图5显示了图3和图4颜色叠加后的图片，更清楚地显示了由扩频时脉带来的差异。能够看见在整个频谱范围内，基准时钟频率的奇次谐波被抑制了将近10dB。

单边调制

可以采用一种附加方法来减少EMI，通过修改调制方案，当音频基带信号振幅变得足够大时，允许单边差分或桥式D类输出对停止切换。这本质上允许反向输出， 一直持续到开关，以便进行全面调制，将输出信号保持在剩余间隔直至其最高峰值。在此方案下，在很大比例时间内(取决于音频源材料)，仅有一个输出在开关， 因而EMI(在那个时间内)减少了一半。这增加了优势，减少了由于功率器件门和其它寄生电容充放电带来的固定开关损耗。它还缩短了输出在ERC转换方面的 时间，如上所述，该转换有少量的效率代价。此技术的缺点是放大器的整体前向增益会有些许降低，同样地，总体谐波失真(total harmonic distortion，THD)和噪声也有少量增加。

图6. 过滤的差分D类输出和未过滤的正向和反向开关输出，显示单边调制的作用

图7. 带有(绿色)和未带有(蓝色)单边调制的D类输出频谱

结论

 D类放大器通常用于便携设备，因其功率效率超过传统AB类放大器。D类技术的主要缺点是其固有的EMI，会对周边电子设备产生不利影响。现在已经出现了一些所熟知，并很有效的IC设计技术，能够极大地缓解EMI问题，而无需负担额外的外部元件。