解析D类放大器的原理和EMI抑制的技术挑战

解析D类放大器的原理和EMI抑制的技术挑战 D 类放大器原理及 EMI 抑制 1. 前言：在日新月异的多媒体时代，便携式电子产品，如智能电话、PDA、MP3、PMP、DSC、DVC、NB 等多媒体产品，对声音质量的要求越来越严格。另外，由于此类产品为电池供电，除了要求音质的再突破外，也要求整体效率的提升，以达到高效、低功耗的设计目标。此类产品的音频模块中，除了输入端的信号源和输出端的喇叭或耳机外，音频放大器是一个非常重要的角色。目前广泛用于便携产品的音频放大器有 AB 类和 D类两种。通常，AB 类放大器能够提供好的音质...

D 类放大器原理及 EMI 抑制 1. 前言：在日新月异的多媒体时代，便携式电子产品，如智能电话、PDA、MP3、PMP、DSC、DVC、NB 等多媒体产品，对声音质量的要求越来越严格。另外，由于此类产品为电池供电，除了要求音质的再突破外，也要求整体效率的提升，以达到高效、低功耗的设计目标。此类产品的音频模块中，除了输入端的信号源和输出端的喇叭或耳机外，音频放大器是一个非常重要的角色。目前广泛用于便携产品的音频放大器有 AB 类和 D类两种。通常，AB 类放大器能够提供好的音质，但效率欠佳，耗电较大；而 D类放大器具有高效、低温升效应和高输出功率等特点。 2. 理论分析： AB 类放大器的工作原理类似于线性调节器，效率差而且需考虑散热问题；D类放大器的工作原理类似开关调节器，具有较高效率，无散热问题，但电路需要一个采样时钟，该时钟可以内置于芯片内不，也可以由外部提供。D类放大器的基本原理如图一所示，内部比较器的同相输入端连接音频信号源，反相输入端连接采样三角波信号。当音频输入的电位高于三角波信号时，比较器输出为高电平；当音频输入的电位低于三角波信号时，比较器输出为低电平。比较器的高、低电平输出驱动后续的 MOSFET 开关，在 MOSFET 导通时产生电流推动扬声器。如果在 MOSFET 后级加上 LC 滤波电路，则 LC 滤波器将 MOSFET 方波还原成与输入类似的模拟音频信号。传统的 D类放大器采用固定采样频率，存在较强的 EMI，因此限制了 D类放大器的使用。随着 IC 设计技术的不断提升，Maxim 扩展频谱技术在 D类放大器的应用，可有效抑制 EMI，完全满足 FCC 的 EMI 限制。图二给出了固定频率模式下 D类放大器的输出波形，其输出频谱为基波和对应的高次谐波。有些 D类放大器允许改变采样频率，使基波及高次谐波避开敏感频段。图一, D 类放大器的基本原理 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 Fixed Frequency Sampling Signal 图二. 固定频率模式(FFM) 扩展频谱模式下，采样时钟频率在规定的范围内逐周期变化（图三），使输出频谱的分布比较平坦，从而改善了经过喇叭或音频线缆的 EMI 辐射。采样频率的变化不会破坏音频信号的恢复，也不会降低整体效率。 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 Spread Spectrum Sampling Signal 图三. 扩展频谱模式(SSM) 一些 D类放大器也可允许接受外部的系统频率同步，来降低或避开敏感的频带。另外，Maxim D 类放大器具有主动幅射限制电路（AEL），AEL 电路会在输出瞬变时主动控制输出 FET 的栅极，避免传统 D类放大器中因感性负载的续流所引起的高频幅射，进而降低 EMI（如图四）。图四, 扩展频谱 + AEL Maxim 新推出的 MAX9705、MX9773 两款 D类放大器除了具有普通的固定频率模式（FFM）、扩展频谱模式（SSM）、外部同步模式及 SSM+AEL 模式，用户可利用其 SYNC 引脚设定取样频率（表一）。 SYNC MODE GND FFM，fOSC = 1100KHz FLOAT FFM，fOSC = 1400KHz VDD SSM，fOSC = 1200KHz ± 60KHz Clocked FFM，fOSC = 外部时钟表一，SYNC 引脚设定 D类放大器之采样频率利用 Maxim 新推出的 D类放大器，加上仿真程序的计算，可计算出各个模式下的 EMI 特性，下图对各种模式的 EMI 特性进行了比较，扩展频谱模式+主动幅射限制模式下，提供最佳的 EMI 抑制。 a). 固定频率模式下 D类放大器的输出频谱 b).扩展频谱模式下 D类放大器的输出频谱 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 Spread Spectrum with AEL 0 4 .106 8 .106 1.2 .107 1.6 .107 2 .107 0 10 20 30 40 50 Fixed Frequency FFT of Class D Output 0 4 .106 8 .106 1.2 .107 1.6 .107 2 .107 0 10 20 30 40 50 Spread Spectrum FFT of Class D Output 0 4 .106 8 .106 1.2 .107 1.6 .107 2 .107 0 10 20 30 40 50 Spread Spectrum with AEL FFT c).扩展频谱+AEL 模式下 D类放大器的输出频谱图八. 各种模式下 D类放大器的输出频谱 3. 结论：在手持式多媒体产品中使用D类放大器除了保持优秀的音质外，还可以有效延长电池的使用时间。对于需要大功率音频驱动的产品，如LCD监视器、LCD电视等，选择D类放大器还可以解决散热问题。在日渐普及的音/视频产品中，还需考虑EMI抑制问题。传统的固定频率模式（FFM）D类放大器由于存在 EMI设计问题，已被新推出的扩展频谱模式（SSM）所替代。而Maxim新推出的从小功率输出到大功率输出的D类放大器，除了具有固定频率模式（FFM）和扩展频谱模式（SSM）外，、还具有主动幅射限制（AEL）功能，巧妙地利用这些模式可大幅度降低EMI辐射。

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