- D類音頻應(yīng)用中的電磁干擾
- 通過減緩部分邊沿輸出過渡時間來改善效率
- 適當?shù)挠∷㈦娐钒逶O(shè)計可大大降低放射量
對于D類放大器來說，常見的問題包括：濾波器的大小、電磁干擾(EMI)、射頻干擾(RFI)和不良的總諧波失真+噪聲(THD+N)。新架構(gòu)采用揚聲器本身的電感特性，從PWM方波輸出中抽取音頻成份，從而省去了用于音頻的輸出濾波器，但移除濾波器后的拓撲又會導(dǎo)致更多的電磁干擾。最新開發(fā)出的器件在不犧牲效率的前提下，可將EMI降至最低并改善THD+N的性能。
EMI對于設(shè)計人員來說很重要，它可干擾系統(tǒng)內(nèi)的IC器件和其他的電子設(shè)備。此外，工程人員還需面對一項艱巨的挑戰(zhàn)，即要符合有關(guān)EMI限制標準，例如FCC、CE、Mil-Std-461和汽車系統(tǒng)專用標準等。第一個由半導(dǎo)體供應(yīng)商推行的EMI抑制功能是擴展頻譜調(diào)制。擴展頻譜調(diào)制與傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)不同，其輸出橋路的開關(guān)頻率只會在中心頻率附近的頻帶內(nèi)變化。
雖然每個器件有不同的中心頻率、頻率擴展和頻率變化方法，但只要頻率的變化是隨機的，則峰值輻射能量便可被降低。這是由于電磁能量傾向散布在較寬闊的頻帶內(nèi)，所以總高頻能量會如同一個固定頻率器件一樣保持不變，但在頻帶內(nèi)任何一點頻率上的噪聲均可被降低。圖1比較了一個固定頻率器件和一個擴展頻譜器件的近場EMI測量結(jié)果。正如圖中的紅色線表示，峰值能量被減少。如果實現(xiàn)的方法正確，那擴展頻譜可以作為一個非常有效的方案，因為它不會對效率和THD造成任何不良的影響。這種技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用在例如LM4675、LM48410和LM48520之類的器件上。
圖1.D類系統(tǒng)的近場EMI測量結(jié)果。從紅色的虛線可看出左邊的固定頻率時鐘方案和右邊的擴展頻譜調(diào)制之間的分別。
為了進一步降低器件的EMI輻射，半導(dǎo)體制造商推行了邊沿速率控制(ERC)。D類輸出的高頻能量被包含在方波輸出的邊沿。輸出的上升和下降時間越快，則邊沿所包含的高頻能量就越多。因此，假如輸出過渡時間可以被減少，那么便可繼而削減由系統(tǒng)發(fā)出來的高頻能量。
不過，減少過渡時間也可能對D類放大器的性能帶來不好的影響。隨著花在狀態(tài)之間有效區(qū)域的時間越長，輸出器件便會耗散更多的功率，從而使效率下降。此外，更短的上升和下降時間也會使PWM信號偏離完美的方波，導(dǎo)致在重生的音頻信號中產(chǎn)生誤差并增加THD+N。
圖2.LM48310的EMI測試結(jié)果符合FCCB級限制水平。
雖然邊沿速率控制有可能對D類放大器的性能構(gòu)成威脅，但它在降低EMI上的表現(xiàn)卻使設(shè)計人員欲罷不能，從而令ERC技術(shù)不斷改進。只要實現(xiàn)的方法正確，那便可將效率損失和增加THD+N的不良作用減到最低。其中一個很好的例子是美國國家半導(dǎo)體(NSC,Nationalsemiconductorcorporation)的LM48310(單聲道)和LM48411(多聲道)D類放大器。
以上兩款器件均采用了美國國家半導(dǎo)體專利的增強型放射抑制(E2S)系統(tǒng)。該E2S系統(tǒng)可通過減緩部分邊沿輸出過渡時間來改善效率。通過此方法，不單EMI可被降至最低，甚至連功耗都可降低至非ERC的D類放大器水平。至于由ERC引致的PWM音頻信號誤差則可通過內(nèi)部反饋環(huán)路進行修正，以減少THD+N并改善音頻品質(zhì)。[page]
圖3.沒有邊沿速率控制的擴展頻譜D類放大器。器件在EMI測試中，在沒有使用任何濾波器的情況下驅(qū)動20英寸長的揚聲器電纜，其結(jié)果符合FCCB級的EMI限制。
圖2表示出LM48310的EMI性能。LM48310在完全未經(jīng)濾波的情況下通過了FCC的B級標準，并用一條12英寸長的無掩蔽雙絞線來驅(qū)動一個揚聲器。圖3表示出純擴展頻譜器件在同一測試中的結(jié)果。正如圖中所示，美國國家半導(dǎo)體的E2SD類放大器可達到極低的EMI水平，同時可保持優(yōu)越的音頻性能。
圖4.LM48310示范板的絲網(wǎng)印刷圖。
D類技術(shù)的最新發(fā)展顯著減低了由D類放大器放射出來的EMI，但至于在射頻(RF)干擾方面，適當?shù)挠∷㈦娐钒逶O(shè)計同樣可大大降低放射量。毫無疑問，這是一個浩瀚的課題，而相關(guān)的文章也多如恒河沙數(shù)，但在這里仍值得討論一下有關(guān)降低噪聲和EMI的基本方法。首先，將帶有開關(guān)信號的跡線隔離，從而可有效減少耦合到電路敏感部分的噪聲。這個方法不單可加強音頻性能，而且還可將產(chǎn)生寄生天線的機會降到最低。此外，也需要將模擬輸入、模擬電源(供電給輸入緩沖器、控制和其他敏感電路)和它們相關(guān)的旁路電容器從開關(guān)節(jié)點隔離，這包括器件輸出、輸出橋路電源和任何與這些節(jié)點相關(guān)的外部元件。
圖5.LM48310示范板的頂層。
然而，不少D類放大器均擁有多個電源和接地，一個用在低噪聲和輸入電路，而另一個則用在較大電流和帶噪聲的輸出級。假如個別電源和接地間的電位差太大，那器件便不能正常運行?？墒牵斊骷诟綦x印刷電路板的噪聲區(qū)和寧靜區(qū)運行時，要確保器件保持正常的電位差是一件非常艱巨的任務(wù)。圖6所示為如何在隔離信號與功率接地的同時為器件保持統(tǒng)一的電位。
由于所有的個別接地節(jié)點都連接到同一個覆銅(cupperpour)，該布局與星形接地的連接方式類似，使這些點上的接地電位保持一致。不過，嘈雜接地與無噪聲接地本身是分隔開的，只有在接地進入電路板時才會連接在一起。這種方法可防止器件所產(chǎn)生出的噪聲污染無噪聲接地。圖7所示相同的原理應(yīng)用到VDD層上。電路板的左半邊包括模擬音頻輸入、VDD和輸入耦合電容器C1和C2。電路板的右半邊包括輸出、PVDD(H橋電源)和旁路電容器C3。
圖6.LM48310示范板的接地層。
VDD層和接地層只有在電源或接地進入電路板時才會連接在一起。從這點上兩個層面會分離，而寧靜節(jié)點會持續(xù)與開關(guān)節(jié)點隔離。這種技術(shù)可有效防止開關(guān)噪聲進入寧靜區(qū)，以免影響性能或增加EMI。
圖7.LM48310示范板的Vdd層。
基于其高效率的特性，D類放大器己成為便攜和功耗敏感應(yīng)用的最佳音頻放大器選擇。在音頻質(zhì)量和EMI性能方面的改進方面，使用D類放大器使得設(shè)計的工作變得更簡易。再者，較寬松的PCB布線技術(shù)和比較少的外部元件都可將設(shè)計周期縮短，并縮小系統(tǒng)尺寸和降低成本，在不影響音質(zhì)的前提下延長便攜產(chǎn)品的電池壽命。
