傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制放大器拓撲
 
圖1展示了一款典型的PWM型、橋接負載（BTL）D類放大器。PWM方案通常利用一個內(nèi)部生成的鋸齒波作為其輸入級的基準。其中有一個比較器監(jiān)視模擬輸入電壓，并將其與鋸齒波進行比較。當鋸齒波輸入超過輸入電壓時，比較器輸出就變?yōu)榈碗娖健Ｔ诒容^器輸出端利用一個反相器來生成一個互補的PWM波形，用于控制BTL輸出的第二橋臂。
 
因為其滿擺幅轉(zhuǎn)換特性和快速開關(guān)頻率會產(chǎn)生較高的射頻（RF）輻射和干擾，PWM型放大器的輸出一般需要龐大的濾波元件。此時一般需要一個LC濾波器來降低這種高頻干擾，并從PWM信號的占空比中提取音頻內(nèi)容。

圖1：傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制拓撲
 

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擴譜調(diào)制放大器拓撲
 
有一種方法可以取代這種昂貴的大尺寸LC濾波器方案，那就是改進開關(guān)過程，使放大器在保持高效的同時降低EMI。Maxim公司的D類放大器恰好做到了這一點。這種D類放大器采用獨特的、享有專利的擴譜調(diào)制模式，以展寬寬帶頻譜分量，從而使揚聲器和電纜輻射的EMI降至最低。圖2通過Maxim公司的MAX9700展示了這種D類放大器的拓撲。

Maxim的D類放大器調(diào)制方案采用了一個內(nèi)部生成的鋸齒波，并在輸入部分采用一個互補信號對。如果沒有互補輸入信號，則會在IC內(nèi)部產(chǎn)生一個差分輸入。

圖2：單聲道D類放大器拓撲

比較器監(jiān)視D類放大器的輸入，并將互補的輸入電壓與鋸齒波進行比較。當鋸齒波的幅度超過輸入電壓時，比較器A會輸出一個低電平，將相應(yīng)的D類輸出（OUT+）拉高至VDD.當鋸齒波的幅度超過其輸入電壓時，比較器B也會輸出低電平，同樣將相應(yīng)的D類輸出（OUT-）拉高至VDD.兩個D類輸出都被拉高之后，一個處于或非門輸出端的定時器開始計時，時間常數(shù)為tau，相當于1/（RTON*CTON）。固定時間（tau）結(jié)束后，兩個D類輸出都被拉低至GND，而兩個比較器均被復(fù)位。這個過程在第二個比較器輸出端產(chǎn)生一個最小脈沖寬度tON（MIN）。隨著輸入電壓的升高或降低，其中一個輸出（第一個比較器會觸發(fā)翻轉(zhuǎn)）的脈沖持續(xù)時間會增加，而另一個輸出的脈沖持續(xù)時間則維持在tON（MIN），從而導(dǎo)致?lián)P聲器兩端的凈電壓（VOUT+-VOUT-）發(fā)生改變。

圖3：FFM模式下，Maxim的D類BTL放大器加載輸入信號后的輸出
 

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固定頻率調(diào)制和擴譜調(diào)制
 
Maxim的D類放大器采用兩種調(diào)制模式：（1）固定頻率調(diào)制（FFM）模式；（2）擴譜調(diào)制模式。FFM模式下（圖3），鋸齒波的周期保持不變，這一點和傳統(tǒng)的PWM方案是一樣的。擴譜調(diào)制模式（圖4）下，鋸齒波的周期會逐周期發(fā)生改變（變化范圍達±10%）。圖4對鋸齒波的周期變化進行了夸大，以更好地展示其效果。

圖4.：擴譜調(diào)制模式下，Maxim的D類BTL放大器加載輸入信號后的輸出

擴譜調(diào)制模式下，其周期的逐周期變化可降低基波頻率下（fo±10%）的頻譜能量，同時擴展特定帶寬（nfo±10%，n為正整數(shù)）內(nèi)的諧波分量。這時大量的頻譜能量并不是集中在開關(guān)頻率的各倍頻處，而是在一個隨頻率而增加的帶寬內(nèi)展寬。頻率超過數(shù)兆赫茲后，寬帶頻譜看起來就像是白噪聲，從而達到降低EMI之目的。在FFM模式下，能量包含在較窄的頻帶內(nèi)，并具有較高的峰值（圖5a）。而在擴譜調(diào)制模式下，能量包含在較寬的頻帶內(nèi)，峰值能量也得以降低（圖5b）。請注意，圖5b中的三次諧波幾乎被噪聲底遮蓋了。

圖5a：Maxim的FFM模式


圖5b：Maxim的擴譜調(diào)制模式
 

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擴譜調(diào)制模式將EMI輻射降至最低

Maxim的擴譜調(diào)制技術(shù)允許D類放大器真正“免除濾波器”，只要揚聲器電纜不是太長。傳統(tǒng)的PWM架構(gòu)通常需要大尺寸的輸出LC濾波器，以確保使用D類放大器的消費類產(chǎn)品能夠滿足EMI規(guī)范要求。Maxim專有的擴譜調(diào)制技術(shù)降低了D類放大器的輻射，因此輸出不需要濾波或僅需要最小的濾波元件，即可滿足EMI規(guī)范要求（見附錄）。
 
EMI規(guī)范要求終端產(chǎn)品必須通過現(xiàn)有的準峰值檢測限制—例如由CE（歐洲共同體，歐洲標準）和FCC（聯(lián)邦通信委員會，美國標準）所制定的限制標準，以確保最低程度的電磁干擾。按照這些機構(gòu)的定義，電磁干擾會中斷、阻礙或降低電子和/或電氣設(shè)備的有效性能。在準峰值檢測中，所測定的信號等級是由信號頻譜分量的重復(fù)頻率來衡量的。重復(fù)頻率越低，準峰值讀數(shù)也就越低。1
 
擴譜調(diào)制充分利用了準峰值檢測的平均特性，從而大大降低EMI的測量結(jié)果（表1）。在擴譜調(diào)制模式下，D類放大器的峰值基波頻率在一定范圍內(nèi)隨機變化—通常在其基本開關(guān)頻率的±10%范圍內(nèi)。假設(shè)分析儀使用120kHz分辨率帶寬進行準峰值檢測，那么除了開關(guān)頻率基波和幾個高次諧波外，開關(guān)能量在任何單個中心頻率下都只出現(xiàn)一段時間。

圖6：MAX9759的輻射數(shù)據(jù)（MAX9759EVKIT，擴譜調(diào)制模式下使用3"雙絞線揚聲器電纜并且“無濾波器”）
 

結(jié)論

D類放大器的近似滿擺幅轉(zhuǎn)換特性和快速開關(guān)頻率會產(chǎn)生較強的射頻輻射和干擾。在揚聲器等發(fā)聲裝置重現(xiàn)音頻內(nèi)容之前，一般都需要使用龐大且昂貴的LC濾波器來降低這種高頻干擾。但是現(xiàn)在，如果采用有效的PCB布局以及短的揚聲器電纜，Maxim的擴譜調(diào)制技術(shù)可以真正實現(xiàn)低功率應(yīng)用的“無濾波器”工作。