摘要：本文僅對便攜式設備中現代D類放大器應用反饋技術、擴譜調制技術以降低電磁干擾（EMI）方案及其新一代無濾波器D類放大器作分析說明。并在文章開始對對便攜式設備內部和外部產生的EMI(電磁干擾)與影響作了說明。
關鍵詞：電磁于擾 便攜式設備 擴譜調制 反饋網絡
Abstract：This portable device is only a modern Class D amplifiers use feedback techniques, spread spectrum modulation technique to reduce electromagnetic interference (EMI) program and its new generation of filterless Class D amplifiers for analysis description. and in the article began to portable devices produced by the internal and external EMI and the effect is described.
Keywords：electromagnetic interference (EMI) portable device Spread-spectrum modulation feedback network
1 問題的提出與方案的呈現
1.1 首先應對便攜式設備內部和外部產生的EMI(電磁干擾)與影響作分析。
眾所周知,當電信號處于開關狀態時，會產生EMI，一旦電信號狀態發生變化，電流流動要產生電磁場。所產生的電磁場可通過不同途徑與其它電磁信號相互作用。這些產生EMI叫互作用可能發生在設備內部或外部。其電磁干擾信號傳輸途徑圖見圖1(a)(b)所示。
* 外部EMI能夠擾亂許多設備的運行，其中包括音頻設備、電視接收機、內置醫療設備和無線控制系統。由于這些EMI可能產生嚴重的后果，如今國際上規定了相類似的適用于全世界的要求。如果不能按照這些要求去阻止超過EMI限值的產品銷售，就可能會損壞其它產品。
* 內部EMI會產生更加錯綜復雜的后果，可能造成設備內部其它信號無法預測的特性改變。這種EMI會導致難以診斷和修復的間歇發生的可靠性問題。如果設備包含可能被EMI嚴重破壞的無線整機電路，內部EMI將是一個更加嚴重的問題。
1.2 解決方案的呈現
由上所知，對于如蜂窩電話和筆記本電腦等低功耗便攜式設備來說，降低電磁于擾(EMl)與EMC特性及延長電池壽命、減少電路板空間等問題往往至關重要；而對于大功率設備(如車載音響系統或平板顯示器)來說，則要求最大限度降低散熱需求和發熱量。在上述二大問題中很重要的是與降低電磁于擾(EMl)密切相關，這是為什么吶？
其一、由于便攜式設備中開關穩壓器能極大地節省空間并具有極低的功耗，則此穩壓器正逐步取代線性穩壓器，而進入各種新型應用中。但開關穩壓器有一個缺點，其內部開關電流可能產生EMI。EMI的峰值能量集中在開關頻率上，降低EMI的傳統方法是謹慎處理接地、屏蔽和濾波，以控制和抑制穩壓器內部開關電流所產生的輻射為主。此外，降低開關電流的幅度和改變頻率也能降低EMI。但確切地說,多相同步和擴展頻譜頻率調制(SSEM)及反饋網絡技術是降低EMI的兩種強有力的工具。
其二、在日新月異的多媒體時代新潮中關鍵的部件--現代D類放大器己成為便攜式和大功率應用的理想選擇。從而要求現代D類放大器應具有獨特的高效特性。為此當今許多現代D類放大器采用先進的擴譜調制技術，可以降低電磁于擾(EMl)并免去外部濾波器。而省掉外部濾波器器不僅降低了電路板空間要求，同時大幅降低了很多便攜式/緊湊型應用的成本。
由此推出抑制和降低EMI新技術的應用。對抑制和降低EMI的技術可有二種,其一是通過接地、屏蔽和濾波的方法,但對于高速與頻率高的電子系統或便攜式設備而言,就顯得很傳統了.其二就是改變NRZ測試碼型功率譜的頻率或者幅度與頻譜擴散新技術。值此作重點介紹：利用反饋網絡與頻率擴展技術以改善設備的EMI是便攜設備中的開關穩壓器與現代D類放大器中很有效的方案。
值此本文僅對其反饋技術、擴譜調制技術在現代D類放大器中降低電磁于擾(EMl)的應用及其新一代無濾波器D類放大器作分析說明。既然這是一個新技術趨勢，故本文從系統性的角度出發，首先介紹基于PWM方式的傳統D類放大器存在的問題。
2 傳統D類放大器存在的問題
* 傳統D類放大器的一個主要缺點就是它需要外部LC濾波器。這不僅增加了方案總成本和電路板空間，也可能因濾波元件的非線性而引入額外失真。很多D類放大器還會使用全橋輸出級。全橋電路使用兩個半橋輸出級，并以差分方式驅動負載。這種負載連接方式通常稱為橋接負載(BTL)。全橋結構是通過轉換負載的導通路徑來工作的。因此負載電流可以雙向流動，無需負電源或隔直電容。傳統的、基于PWM的BTL型D類放大器各輸出波形。各輸出波形彼此互補，從而在負載兩端產生一個差分PWM信號。與半橋式拓撲類似，輸出端需要一個外部LC濾波器，用于提取低頻音頻信號并防止在負載上耗散高頻能量。
* 與所有傳統D類放大器一樣,基于PWM方式的典型D類放大器需要外部濾波元件，會產生EMI／EMC兼容性問題，并且THD+N性能較差，因此與線性放大器相比，它的高效優勢大為失色。然而，現代D類放大器采用先進的調制和反饋技術，可很好地緩解上述問題。
3 利用反饋網絡改善性能
許多D類放大器采用PWM輸出至器件輸入的負反饋環路。閉環方案不僅可以改善器件的線性，而且使器件具備電源抑制能力。開環放大器卻正相反，它的電源抑制能力微乎其微。在閉環拓撲中，因為會檢測輸出波形并將其反饋至放大器的輸入端，所以能夠在輸出端檢測到電源的偏離情況，并通過控制環路對輸出進行校正。閉環設計的優勢是以可能出現的穩定性問題為代價的，這也是所有反饋系統共同面臨的問題。因此必須精心設計控制環路并進行補償，確保在任何工作條件下都能保持穩定。
典型的D類放大器采用具有噪聲整形功能的反饋環路，可極大地降低由脈寬調制器、輸出級以及電源電壓偏離的非線性所引入的帶內噪聲。這種拓撲與用在∑-△調制器中的噪聲整形類似。為闡明噪聲整形功能，圖1給出了為現代D類放大反饋補償回路以傳遞函數形式表達的示意圖,即一個1階噪聲整形器的簡化框圖.反饋網絡通常包含一個電阻分壓網絡，但為簡便起見，圖1的反饋比例為1.由于理想積分器的增益與頻率成反比，圖中積分器的傳遞函數也被簡化為1／s.同時假定PWM模塊具有單位增益，并且在控制環路中具有零相位偏移。使用基本的控制模塊分析方法，可得到以下輸出表達式：
由等式1可知，噪聲項En(s)與一個高通濾波器函數(噪聲傳遞函數)相乘，而輸入項VIN(s)與一個低通濾波器函數(信號傳遞函數)相乘。噪聲傳遞函數的高通濾波器對D類放大器的噪聲進行整形。如果輸出濾波器的截止頻率選取得當，大部分噪聲會被推至帶外(見圖2右上角坐標糸統)。
圖2 現代D類放大器反饋補償回路方框以傳遞函數形式表達的示意圖
上述例子使用的是1階噪聲整形器，而多數現代D類放大器采用高階噪聲整形拓撲，以便進一步優化線性度和電源抑制特性。
4 新型無濾波器D類放大器的導出
傳統D類放大器的一個主要缺點就是它需要外部LC濾波器。這不僅增加了方案總成本和電路板空間，也可能因濾波元件的非線性而引入額外失真。幸好，很多現代D類放大器采用了先進的“免濾波器”調制方案，從而省掉或至少是最大限度降低了外部濾波器要求。圖3給出免濾波器調制器拓撲的簡化功能框圖。
圖3 免濾波器調制器拓撲的簡化功能框圖
與傳統的PWM型BTL放大器不同，每個半橋都有自己專用的比較器，從而可獨立控制每個輸出。調制器由差分音頻信號和高頻鋸齒波驅動。當兩個比較器輸出均為低電平時，D類放大器的每個輸出均為高。與此同時，或非門的輸出變為高電平，但會因為RON和CON組成的RC電路而產生一定延時。一旦或非門延時輸出超過特定門限，開關SWl和SW2隨即閉合。這將使OUT+和OUT-變為低，并保持到下個采樣周期的開始。這種設計使得兩個輸出同時開通一段最短時間t0N(MIN)，這個時間由RON和CON的值決定。如圖4所示，輸人為零時，兩個輸出同相并具有t0N(MIN)的脈沖寬度。
圖4 免濾波器調制器拓撲的輸入與輸出波形示意圖
隨著音頻輸入信號的增加或減小，其中一個比較器會在另一個之前先翻轉。這種工作特性外加最短時間導通電路的作用，將促使一個輸出改變其脈沖寬度，另一個輸出的脈沖寬度保持為t0N(MIN)，見圖4所示。這意味著每個輸出的平均值都包含輸出音頻信號的半波整流結果。對兩路輸出的平均值進行差值運算，便可得到完整的輸出音頻波形。
由于MAX9700的輸出端在空閑時為同相信號，所以負載兩端沒有差分電壓，從而最大限度降低了靜態功耗，并且無需外部濾波器。免濾波器D類放大器從輸出中提取音頻信號時并不依靠外部LC濾波器，而是依靠揚聲器負載固有的電感以及人耳的聽覺特性來恢復音頻信號。揚聲器電阻(RE)和電感(LE)形成一個1階低通濾波器，其截止頻率為：
對大多數揚聲器而言，這個l階低通濾波器足以恢復音頻信號，并可防止在揚聲器電阻上耗散過多高頻開關能量。即使依然存在殘余開關能量使揚聲器組件產生運動，這些頻率也無法被入耳聽到或影響聽覺感受。使用免濾波器D類放大器時，為獲得最大輸出功率，揚聲器負載應保證在放大器開關頻率下仍為感性負載。
5 利用D類放大器延長電池使用壽命
高效D類音頻功率放大器使電池使用壽命延長為傳統線性放大器的兩倍，從而使音樂播放時間更長。DC音量控制等特性不僅降低了系統成本，實現了板級空間的最小化，同時其低噪聲底限能擴大動態范圍，并優化音頻質量。D類音頻放大器可為你的便攜式揚聲器系統提供靈活的低成本設計解決方案，見圖5示意圖。圖5中D類放大器可采用TPA2008D2型2×3W D類放大器。
圖5 利用D類放大器延長電池使用壽命示意圖
該解決方案應用范圍為：音頻基座、迷你揚聲器與輕便型收錄機。其特性為：8Ω揚聲器提供的88％的 D類放大效率；集成DC音量控制范田為-38dB至20dB，而步長為2dB；低噪聲，電源紋波抑制比(PSRR)為70dB；TPA2008D2型為24引腳HTSSOP封裝。
6 擴譜調制的應用是降低EMI有效技術
有必要先介紹何謂擴譜調制技術。通過展寬信號頻譜來減少EMI的需求，根據這個基本概念加以拓展的主要優化技術被稱為優化擴譜調制或稱頻譜擴散(OSD)。它極大地減少了EMI，而沒有受頻譜展寬時鐘(SSC)抖動問題的困擾。
應該說，免濾波器工作方式的一個缺點就是可能通過揚聲器電纜輻射EMI。由于D類放大器的輸出波形為高頻方波，并具有陡峭的過渡邊沿，因此輸出頻譜會在開關頻率及開關頻率倍頻處包含大量頻譜能量。在緊靠器件的位置沒有安裝外部輸出濾波器的話，這些高頻能量就會通過揚聲器電纜輻射出去。免濾波器D類放大器采用“擴譜調制“方案，可幫助緩解可能的EMI問題。
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，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，見圖6所示。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6 擴展頻譜模式下改善了經過喇叭或音頻線纜的EMI輻射
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，現代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。
例如 MAX9705、MX9773兩款現代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。現代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.擴展頻譜模式+主動幅射限制模式下，提供最佳的EMI抑制。
通過抖動或隨機化D類放大器的開關頻率實現擴譜調制。實際開關頻率相對于標稱開關頻率的變化范圍可達到土10％。盡管開關波形的各個周期會隨機變化，但占空比不受影響，因此輸出波形可以保留音頻信息。圖7顯示以MAX9700為例的擴譜調制的效果，是在OUT+或OUT-與地之間寬帶(為10KHz)的輸出頻譜測量效果，即擴譜調制將MAX9700的頻譜能量分布在更寬的頻帶內。
圖7 以MAX9700為例的擴譜調制的效果，擴譜調制將MAX9700的頻譜能量分布在更寬的頻帶內。
擴譜調制有效展寬了輸出信號的頻譜能量，而不是使頻譜能量集中在開關頻率及其各次諧波上。換句話說，輸出頻譜的總能量沒有變，只是重新分布在更寬的頻帶內。這樣就降低了輸出端的高頻能量峰，因而將揚聲器電纜輻射EMI的機會降至最少。雖然一些頻譜噪聲可能由擴譜調制引入音頻帶寬內，這些噪聲可以被反饋環路的噪聲整形功能抑制掉。
很多現代免濾波器D類放大器還允許開關頻率同步至一個外部時鐘信號。因此用戶可以將放大器開關頻率設置到相對不敏感的頻率范圍內。
盡管擴譜調制極大地改善了免濾波器D類放大器的EMI性能，為了滿足FCC或CE輻射標準，實際上還是需要對揚聲器電纜長度加以限制。如果設備因揚聲器電纜過長而沒能通過輻射測試，則需要一個外部輸出濾波器來衰減輸出波形的高頻分量。對于許多具有適度揚聲器電纜長度的應用來說，在輸出端安裝磁珠／濾波電容即可滿足要求,見圖8(a)所示。
圖8(a) 輸出端安裝磁珠/濾波電容示意圖
而圖8(b)為省掉價格昂貴的電感而用磁珠／濾波電容使EMI受限的特性曲線。
圖8(b) 省掉價格昂貴的電感而用磁珠/濾波電容使EMI受限的特性曲線
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