D類(lèi)(或開(kāi)關(guān))放大器，因為相比傳統的AB類(lèi)放大器設計，這類(lèi)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(cháng)電池壽命)。D類(lèi)放大器開(kāi)關(guān)拓撲的一個(gè)可能存在的缺點(diǎn)，就是其容易發(fā)出電磁輻射，可能會(huì )干擾周邊其它電子設備?？梢酝ㄟ^(guò)外部無(wú)源濾波方法將這種干擾緩減到某種程度，但這會(huì )增加最終產(chǎn)品的成本、占位面積以及復雜性。本文將探討某些用于減輕EMI問(wèn)題的內部電路設計方法。
邊緣速率控制
為了放大音頻信號，D類(lèi)放大器的輸出(或各種輸出，以不同的配置) 在兩個(gè)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(kāi)關(guān)信號是經(jīng)過(guò)調制的，從而通過(guò)簡(jiǎn)單的、有時(shí)是揚聲器本身包含的低通濾波器來(lái)恢復音頻信號。此開(kāi)關(guān)轉換一般速度非?？臁苍S是2ns或更短——因而包含顯著(zhù)的高頻能量。這會(huì )導致互連導線(xiàn)纜產(chǎn)生EMI輻射，尤其是在信號路徑中無(wú)低通濾波器，且放大器和揚聲器之間的導線(xiàn)長(cháng)度非常明顯的情形下(也許超過(guò)1cm)。
用于緩減EMI輻射的一個(gè)方法是減低放大器輸出的轉換速率(slew rate)。圖1所示為時(shí)域中的一個(gè)例子，其上方跡線(xiàn)有2ns的上升和下降時(shí)間，而下方跡線(xiàn)有20ns的上升和下降時(shí)間。
轉換速率的減小(這里的因數為10) 對于D類(lèi)放大器產(chǎn)生的輻射能量有著(zhù)顯著(zhù)的影響。圖2 顯示了兩種波形的頻譜，此時(shí)D類(lèi)輸出正處于靜默(無(wú)音頻，占空比=50%)，開(kāi)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)內容減少約20dB。在包含有FM廣播接收電子設備(88MHz ~ 108MHz)手機或無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)電路(700MHz ~ 2.7GHz)的系統中，這可大幅減少EMI，從而降低了可能影響系統性能的風(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(guò)代價(jià)是增加了損耗。首先是D類(lèi)放大器提供的效率優(yōu)勢，主要來(lái)自于輸出器件始終完全開(kāi)啟或完全關(guān)閉，因此輸出器件中的瞬時(shí)耗散功率P= VI，在所有時(shí)間里基本上保持為零 (不同于A(yíng)B類(lèi)放大器，其功率器件的VI乘積從不為零)。在每次開(kāi)關(guān)轉換時(shí)引入(或增加)時(shí)間跨度，其間V ≠ 0，同時(shí)負載電流I ≠ 0，導致片上功耗適度增加，因而帶來(lái)效率的降低。其次，一個(gè)非ERC輸出級在本質(zhì)上僅是一個(gè)大型逆變器(可能包括直通或短路沖擊電流的緩減)，而一個(gè)ERC輸出級包含附加電路，能夠調節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)?？偟膩?lái)說(shuō)，由于增添ERC而產(chǎn)生的效率代價(jià)可能為1% ~ 2%。
擴頻時(shí)鐘
上述討論的邊緣速率控制(ERC)是一個(gè)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法規的限制)，而D類(lèi)放大器開(kāi)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(lái)處理。圖3所示為此頻帶出現的由傳統的、未修改的D類(lèi)放大器輸出產(chǎn)生的能量。
為了減小D類(lèi)輸出頻譜中的基音和泛音尖峰高度，可以在放大器的時(shí)鐘電路中加入少量頻率調制——也許調制指數在±5%左右，不會(huì )影響所放大音頻信號的質(zhì)量。針對調制信號源的特性有許多選擇，一個(gè)常規作法是使用帶有重復頻率(全模式重復頻率)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(gè)適當的余量，這可防止產(chǎn)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(lèi)輸出，但其帶有±5%調制，在40kHz模式重復頻率下由偽隨機序列來(lái)實(shí)現。
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頻時(shí)脈帶來(lái)的差異。能夠看見(jiàn)在整個(gè)頻譜范圍內，基準時(shí)鐘頻率的奇次諧波被抑制了將近10dB。
可以采用一種附加方法來(lái)減少EMI，通過(guò)修改調制方案，當音頻基帶信號振幅變得足夠大時(shí)，允許單邊差分或橋式D類(lèi)輸出對停止切換(圖6)。這本質(zhì)上允許反向輸出，一直持續到開(kāi)關(guān)，以便進(jìn)行全面調制，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(shí)間內(取決于音頻源材料)，僅有一個(gè)輸出在開(kāi)關(guān)，因而EMI(在那個(gè)時(shí)間內)減少了一半。這增加了優(yōu)勢，減少了由于功率器件門(mén)和其它寄生電容充放電帶來(lái)的固定開(kāi)關(guān)損耗。它還縮短了輸出在ERC轉換方面的時(shí)間，如上所述，該轉換有少量的效率代價(jià)。此技術(shù)的缺點(diǎn)是放大器的整體前向增益會(huì )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制的D類(lèi)輸出頻譜如圖7。
結論
D類(lèi)技術(shù)的主要缺點(diǎn)是其固有的EMI，會(huì )對周邊電子設備產(chǎn)生不利影響?，F在已經(jīng)出現了一些有效的IC設計技術(shù)，能夠極大地緩解EMI問(wèn)題，而無(wú)需負擔額外的外部元件。
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