D類(lei)放(fang)大(da)器(qi)開(kai)關(guan)拓(tuo)撲(pu)的(de)一(yi)個(ge)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)的(de)缺(que)點(dian)，就(jiu)是(shi)其(qi)容(rong)易(yi)發(fa)出(chu)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)，可(ke)能(neng)會(hui)幹(gan)擾(rao)周(zhou)邊(bian)其(qi)它(ta)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)。可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)外(wai)部(bu)無(wu)源(yuan)濾(lv)波(bo)方(fang)法(fa)將(jiang)這(zhe)種(zhong)幹(gan)擾(rao)緩(huan)減(jian)到(dao)某(mou)種(zhong)程(cheng)度(du)，但(dan)這(zhe)會(hui)增(zeng)加(jia)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)的(de)成(cheng)本(ben)、占位麵積以及複雜性。本文將探討某些用於減輕EMI問題的內部電路設計方法。

 

第一 邊緣速率控製

 

為了放大音頻信號，D類放大器的輸出（或各種輸出
，以不同的配置） 在兩個電源軌（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）。

 

開關信號是經過調製的，從而通過簡單的
、有時是揚聲器本身包含的低通濾波器來恢複音頻信號。此開關轉換一般速度非常快——也許是2ns或更短——因而包含顯著的高頻能量。這會導致互連導線纜產生EMI輻射
，尤其是在信號路徑中無低通濾波器，且放大器和揚聲器之間的導線長度非常明顯的情形下（也許超過1cm）。

 

用於緩減EMI輻射的一個方法是減低放大器輸出的轉換速率（slew rate）。圖1所示為時域中的一個例子
，其上方跡線有2ns的上升和下降時間，而下方跡線有20ns的上升和下降時間。

 

轉換速率的減小（這裏的因數為10） 對於D類放大器產生的輻射能量有著顯著的影響。圖2顯示了兩種波形的頻譜，此時D類輸出正處於靜默（無音頻
，占空比=50%），開關頻率為333kHz。可以看到貫穿於30MHz~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）手機或無線互聯網電路（700MHz ~ 2.7GHz）的係統中

，這可大幅減少EMI，從而降低了可能影響係統性能的風險。

 

 

圖2清楚地顯示了邊緣速率控製（edge rate control
，ERC）技術減少EMI的優勢
，不過代價是增加了損耗。

 

首先是D類放大器提供的效率優勢，主要來自於輸出器件始終完全開啟或完全關閉，因此輸出器件中的瞬時耗散功率P= VI

，在所有時間裏基本上保持為零 （不同於AB類放大器
，其功率器件的VI乘積從不為零）。

 

在每次開關轉換時引入（或增加）時間跨度，其間V ≠ 0，同時負載電流I ≠ 0，導致片上功耗適度增加
，因而帶來效率的降低。其次，一個非ERC輸出級在本質上僅是一個大型逆變器（可能包括直通或短路衝擊電流的緩減）
，而一個ERC輸出級包含附加電路，能夠調節上拉和下拉器件的觸發電壓
，以便在輸出端上產生期望的、受控製的轉換速率。取決於所使用的方法，這增加了芯片麵積（成本）和電流消耗（降低效率）。

 

總的來說，由於增添ERC而產生的效率代價可能為1% ~ 2%。

 

 

第二 擴頻時鍾

 

上述討論的邊緣速率控製（ERC）是一個有效的方法，可減弱在30MHz以上頻率範圍產生的EMI （也受限於FCC法規的限製），而D類放大器開關輸出的基本載波頻率和其落在30MHz以下範圍的相關奇次諧波（方波），則不太好采用這項技術來處理。圖3所示為此頻帶出現的由傳統的、未修改的D類放大器輸出產生的能量。

 

 

為了減小D類輸出頻譜中的基音和泛音尖峰高度

，可以在放大器的時鍾電路中加入少量頻率調製——也許調製指數在±5%左右，不會影響所放大音頻信號的質量。針對調製信號源的特性有許多選擇，一個常規作法是使用帶有重複頻率（全模式重複頻率）的偽隨機模式
，其超出最高預期音頻信號頻率（通常為20kHz）一個適當的餘量，這可防止產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類輸出
，但其帶有±5%調製，在40kHz模式重複頻率下由偽隨機序列來實現。

 

 

圖5顯示了圖3和圖4顏色疊加後的圖片
，更清楚地顯示了由擴頻時脈帶來的差異。能夠看見在整個頻譜範圍內，基準時鍾頻率的奇次諧波被抑製了將近10dB。

 

 

第三 單邊調製

 

可以采用一種附加方法來減少EMI
，通過修改調製方案，當音頻基帶信號振幅變得足夠大時，允許單邊差分或橋式D類輸出對停止切換（圖6）。這本質上允許反向輸出，一直持續到開關
，以便進行全麵調製，將輸出信號保持在剩餘間隔直至其最高峰值。

 

此方案
，在很大比例時間內（取決於音頻源材料）

，僅有一個輸出在開關
，因而EMI（在那個時間內）減少了一半。這增加了優勢
，減少了由於功率器件門和其它寄生電容充放電帶來的固定開關損耗。它還縮短了輸出在ERC轉換方麵的時間
，如上所述

，該轉換有少量的效率代價。此技術的缺點是放大器的整體前向增益會有些許降低，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製的D類輸出頻譜如圖7。

 

 

 

 

第四 結論

 

D類放大器通常用於便攜設備，因其功率效率超過傳統AB類放大器。D類技術的主要缺點是其固有的EMI
，會對周邊電子設備產生不利影響。現在已經出現了一些有效的IC設計技術
，能夠極大地緩解EMI問題，而無需負擔額外的外部元件。

 

 

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