D类(或开关)放大器,因为相比传统的AB类放大器设计,这类放大器的散热较少(在紧凑型产品中非常重要),且效率较高(延长电池寿命)。D类放大器开关拓扑的一个可能存在的缺点,就是其容易发出电磁辐射,可能会干扰周边其它电子设备。可以通过外部无源滤波方法将这种干扰缓减到某种程度,但这会增加最终产品的成本、占位面积以及复杂性。本文将探讨某些用于减轻EMI问题的内部电路设计方法。
边缘速率控制
为了放大音频信号,D类放大器的输出(或各种输出,以不同的配置) 在两个电源轨(通常为正极和接地)之间交替切换,其频率是所需放大的最高音频频率的10倍或更高(可能为300kHz或更高)。开关信号是经过调制的,从而通过简单的、有时是扬声器本身包含的低通滤波器来恢复音频信号。此开关转换一般速度非常快——也许是2ns或更短——因而包含显着的高频能量。这会导致互连导线缆产生EMI辐射,尤其是在信号路径中无低通滤波器,且放大器和扬声器之间的导线长度非常明显的情形下(也许超过1cm)。
用于缓减EMI辐射的一个方法是减低放大器输出的转换速率(slew rate)。图1所示为时域中的一个例子,其上方迹线有2ns的上升和下降时间,而下方迹线有20ns的上升和下降时间。
转换速率的减小(这里的因数为10) 对于D类放大器产生的辐射能量有着显着的影响。图2 显示了两种波形的频谱,此时D类输出正处于静默(无音频,占空比=50%),开关频率为333kHz。可以看到贯穿于30MHz~1GHz之间的大部分频谱,其高频(HF)内容减少约20dB。在包含有FM广播接收电子设备(88MHz ~ 108MHz)手机或无线互联网电路(700MHz ~ 2.7GHz)的系统中,这可大幅减少EMI,从而降低了可能影响系统性能的风险。
图2清楚地显示了边缘速率控制(edge rate control,ERC)技术减少EMI的优势,不过代价是增加了损耗。首先是D类放大器提供的效率优势,主要来自于输出器件始终完全开启或完全关闭,因此输出器件中的瞬时耗散功率P= VI,在所有时间里基本上保持为零 (不同于AB类放大器,其功率器件的VI乘积从不为零)。在每次开关转换时引入(或增加)时间跨度,其间V ≠ 0,同时负载电流I ≠ 0,导致片上功耗适度增加,因而带来效率的降低。其次,一个非ERC输出级在本质上仅是一个大型逆变器(可能包括直通或短路冲击电流的缓减),而一个ERC输出级包含附加电路,能够调节上拉和下拉器件的触发电压,以便在输出端上产生期望的、受控制的转换速率。取决于所使用的方法,这增加了芯片面积(成本)和电流消耗(降低效率)。总的来说,由于增添ERC而产生的效率代价可能为1% ~ 2%。