D类放大器及EMI抑制
发布日期:2023-05-31
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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。
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，也可以由外部提供。D类放大器的基本原理如图1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。
图1 D类放大器的基本原理
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2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2 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3)，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。
图3 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4)。
图4 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1)。
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，图5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
c) 扩展频谱+AEL模式下D类放大器的输出频谱
图5 各种模式下D类放大器的输出频谱
结语
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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