扩谱调制模式使D类放大器的EMI降至最低

引言

由于功效高于AB类放大器，D类放大器对便携式音频应用设计人员来说更具吸引力。但是，也有一些设计者并未在便携式应用中使用D类放大器，因为传统的PWM型D类放大器需要庞大且昂贵的滤波元件来降低电磁干扰。Maxim公司的D类放大器扩谱调制技术则让设计者可以省去这些滤波元件，又不会降低音频性能或放大功效，因此有效推动了高效D类放大器在便携式音频应用中的推广。

传统的脉宽调制放大器拓扑

图1展示了一款典型的PWM型、桥接负载(BTL) D类放大器。PWM方案通常利用一个内部生成的锯齿波作为其输入级的基准。其中有一个比较器监视模拟输入电压，并将其与锯齿波进行比较。当锯齿波输入超过输入电压时，比较器输出就变为低电平。在比较器输出端利用一个反相器来生成一个互补的PWM波形，用于控制BTL输出的第二桥臂。

因为其满摆幅转换特性和快速开关频率会产生较高的射频(RF)辐射和干扰，PWM型放大器的输出一般需要庞大的滤波元件。此时一般需要一个LC滤波器来降低这种高频干扰，并从PWM信号的占空比信息中提取音频内容。

图1. 传统的脉宽调制拓扑

扩谱调制放大器拓扑

有一种方法可以取代这种昂贵的大尺寸LC滤波器方案，那就是改进开关过程，使放大器在保持高效的同时降低EMI。Maxim公司的D类放大器恰好做到了这一点。这种D类放大器采用独特的、享有专利的扩谱调制模式，以展宽宽带频谱分量，从而使扬声器和电缆辐射的EMI降至最低。图2通过Maxim公司的MAX9700展示了这种D类放大器的拓扑。

Maxim的D类放大器调制方案采用了一个内部生成的锯齿波，并在输入部分采用一个互补信号对。如果没有互补输入信号，则会在IC内部产生一个差分输入。

图2. 单声道D类放大器拓扑

比较器监视D类放大器的输入，并将互补的输入电压与锯齿波进行比较。当锯齿波的幅度超过输入电压时，比较器A会输出一个低电平，将相应的D类输出(OUT+)拉高至VDD。当锯齿波的幅度超过其输入电压时，比较器B也会输出低电平，同样将相应的D类输出(OUT-)拉高至VDD。两个D类输出都被拉高之后，一个处于或非门输出端的定时器开始计时，时间常数为tau，相当于1 / (RTON * CTON)。固定时间(tau)结束后，两个D类输出都被拉低至GND，而两个比较器均被复位。这个过程在第二个比较器输出端产生一个最小脉冲宽度tON (MIN)。随着输入电压的升高或降低，其中一个输出(第一个比较器会触发翻转)的脉冲持续时间会增加，而另一个输出的脉冲持续时间则维持在tON(MIN)，从而导致扬声器两端的净电压(VOUT+ - VOUT-)发生改变。

图3. FFM模式下，Maxim的D类BTL放大器加载输入信号后的输出

固定频率调制和扩谱调制

Maxim的D类放大器采用两种调制模式：(1) 固定频率调制(FFM)模式；(2) 扩谱调制模式。FFM模式下(图3)，锯齿波的周期保持不变，这一点和传统的PWM方案是一样的。扩谱调制模式(图4)下，锯齿波的周期会逐周期发生改变(变化范围达±10%)。图4对锯齿波的周期变化进行了夸大，以更好地展示其效果。

图4. 扩谱调制模式下，Maxim的D类BTL放大器加载输入信号后的输出

扩谱调制模式下，其周期的逐周期变化可降低基波频率下(fo ±10%)的频谱能量，同时扩展特定带宽(nfo ±10%，n为正整数)内的谐波分量。这时大量的频谱能量并不是集中在开关频率的各倍频处，而是在一个随频率而增加的带宽内展宽。频率超过数兆赫兹后，宽带频谱看起来就像是白噪声，从而达到降低EMI之目的。在FFM模式下，能量包含在较窄的频带内，并具有较高的峰值(图5a)。而在扩谱调制模式下，能量包含在较宽的频带内，峰值能量也得以降低(图5b)。请注意，图5b中的三次谐波几乎被噪声底遮盖了。

图5a. Maxim的FFM模式

图5b. Maxim的扩谱调制模式

扩谱调制模式将EMI辐射降至最低

Maxim的扩谱调制技术允许D类放大器真正"免除滤波器"，只要扬声器电缆不是太长。传统的PWM架构通常需要大尺寸的输出LC滤波器，以确保使用D类放大器的消费类产品能够满足EMI规范要求。Maxim专有的扩谱调制技术降低了D类放大器的辐射，因此输出不需要滤波或仅需要最小的滤波元件，即可满足EMI规范要求(见附录)。

EMI规范要求终端产品必须通过现有的准峰值检测限制-例如由CE (欧洲共同体，欧洲标准)和FCC (联邦通信委员会，美国标准)所制定的限制标准，以确保最低程度的电磁干扰。按照这些机构的定义，电磁干扰会中断、阻碍或降低电子和/或电气设备的有效性能。在准峰值检测中，所测定的信号等级是由信号频谱分量的重复频率来衡量的。重复频率越低，准峰值读数也就越低。

扩谱调制充分利用了准