D類放大器及EMI抑制

摘要： 本文描述了D類放大器的特點及EMI抑制問題。

關鍵詞： D類放大器；EMI抑制

前言

在日新月異的多媒體時代，便攜式電子產品，如智能電話、PDA、MP3、PMP、DSC、DVC、NB等多媒體產品，對聲音質量的要求越來越嚴格。另外，由于此類產品為電池供電，除了要求音質的再突破外，也要求整體效率的提升，以達到高效、低功耗的設計目標。

此類產品的音頻模塊中，除了輸入端的信號源和輸出端的喇叭或耳機外，音頻放大器是一個非常重要的角色。目前廣泛用于便攜產品的音頻放大器有AB類和D類兩種。通常，AB類放大器能夠提供好的音質，但效率欠佳，耗電較大；而D類放大器具有高效、低溫升效應和高輸出功率等特點。

理論分析

AB類放大器的工作原理類似于線性調節器，效率差而且需考慮散熱問題；D類放大器的工作原理類似開關調節器，具有較高效率，無散熱問題，但電路需要一個采樣時鐘，該時鐘可以內置于芯片內，也可以由外部提供。D類放大器的基本原理如圖1所示，內部比較器的同相輸入端連接音頻信號源，反相輸入端連接采樣三角波信號。當音頻輸入的電位高于三角波信號時，比較器輸出為高電平；當音頻輸入的電位低于三角波信號時，比較器輸出為低電平。比較器的高、低電平輸出驅動后續的MOSFET開關，在MOSFET導通時產生電流推動揚聲器。如果在MOSFET后級加上LC濾波電路，則LC濾波器將MOSFET方波還原成與輸入類似的模擬音頻信號。

圖1 D類放大器的基本原理

傳統的D類放大器采用固定采樣頻率，存在較強的EMI，因此限制了D類放大器的使用。隨著IC設計技術的不斷提升，Maxim擴展頻譜技術在D類放大器的應用，可有效抑制EMI，完全滿足FCC的EMI限制。圖2給出了固定頻率模式下D類放大器的輸出波形，其輸出頻譜為基波和對應的高次諧波。有些D類放大器允許改變采樣頻率，使基波及高次諧波避開敏感頻段。

圖2 固定頻率模式（FFM）

擴展頻譜模式下，采樣時鐘頻率在規定的范圍內逐周期變化(圖3)，使輸出頻譜的分布比較平坦，從而改善了經過喇叭或音頻線纜的EMI輻射。采樣頻率的變化不會破壞音頻信號的恢復，也不會降低整體效率。

圖3 擴展頻譜模式（SSM）

一些D類放大器也可允許接受外部的系統頻率同步，來降低或避開敏感的頻帶。另外，Maxim D類放大器具有主動幅射限制電路(AEL)，AEL電路會在輸出瞬變時主動控制輸出FET的柵極，避免傳統D類放大器中因感性負載的續流所引起的高頻幅射，進而降低EMI(如圖4)。

圖4 擴展頻譜+AEL

Maxim新推出的MAX9705、MX9773兩款D類放大器除了具有普通的固定頻率模式(FFM)、擴展頻譜模式(SSM)、外部同步模式及SSM+AEL模式，用戶可利用其SYNC引腳設定取樣頻率(表1)。 

利用Maxim新推出的D類放大器，加上仿真程序的計算，可計算出各個模式下的EMI特性，圖5對各種模式的EMI特性進行了比較，擴展頻譜模式+主動幅射限制模式下，提供最佳的EMI抑制。

a)  固定頻率模式下D類放大器的輸出頻譜

b)  擴展頻譜模式下D類放大器的輸出頻譜

c)  擴展頻譜+AEL模式下D類放大器的輸出頻譜

圖5 各種模式下D類放大器的輸出頻譜

結語

在手持式多媒體產品中使用D類放大器除了保持優秀的音質外，還可以有效延長電池的使用時間。對于需要大功率音頻驅動的產品，如LCD監視器、LCD電視等，選擇D類放大器還可以解決散熱問題。在日漸普及的音/視頻產品中，還需考慮EMI抑制問題。傳統的固定頻率模式(FFM)D類 放大器由于存在EMI設計問題，已被新推出的擴展頻譜模式(SSM)所替代。而Maxim新推出的從小功率輸出到大功率輸出的D類 放大器，除了具有固定頻率模式(FFM)和擴展頻譜模式(SSM)外，、還具有主動幅射限制(AEL)功能，巧妙地利用這些模式可大幅度降低EMI輻射。

參考文獻：
1.  MAX9705數據手冊，Maxim公司
2.  MAX9773數據手冊，Maxim公司