傳統的脈寬調制放大器拓撲
 
圖1展示了一款典型的PWM型、橋接負載（BTL）D類(lèi)放大器。PWM方案通常利用一個(gè)內部生成的鋸齒波作為其輸入級的基準。其中有一個(gè)比較器監視模擬輸入電壓，并將其與鋸齒波進(jìn)行比較。當鋸齒波輸入超過(guò)輸入電壓時(shí)，比較器輸出就變?yōu)榈碗娖?。在比較器輸出端利用一個(gè)反相器來(lái)生成一個(gè)互補的PWM波形，用于控制BTL輸出的第二橋臂。
 
因為其滿(mǎn)擺幅轉換特性和快速開(kāi)關(guān)頻率會(huì )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(shí)一般需要一個(gè)LC濾波器來(lái)降低這種高頻干擾，并從PWM信號的占空比中提取音頻內容。

圖1：傳統的脈寬調制拓撲
 

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擴譜調制放大器拓撲
 
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(jìn)開(kāi)關(guān)過(guò)程，使放大器在保持高效的同時(shí)降低EMI。Maxim公司的D類(lèi)放大器恰好做到了這一點(diǎn)。這種D類(lèi)放大器采用獨特的、享有專(zhuān)利的擴譜調制模式，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(guò)Maxim公司的MAX9700展示了這種D類(lèi)放大器的拓撲。

Maxim的D類(lèi)放大器調制方案采用了一個(gè)內部生成的鋸齒波，并在輸入部分采用一個(gè)互補信號對。如果沒(méi)有互補輸入信號，則會(huì )在IC內部產(chǎn)生一個(gè)差分輸入。

圖2：?jiǎn)温暤繢類(lèi)放大器拓撲

比較器監視D類(lèi)放大器的輸入，并將互補的輸入電壓與鋸齒波進(jìn)行比較。當鋸齒波的幅度超過(guò)輸入電壓時(shí)，比較器A會(huì )輸出一個(gè)低電平，將相應的D類(lèi)輸出（OUT+）拉高至VDD.當鋸齒波的幅度超過(guò)其輸入電壓時(shí)，比較器B也會(huì )輸出低電平，同樣將相應的D類(lèi)輸出（OUT-）拉高至VDD.兩個(gè)D類(lèi)輸出都被拉高之后，一個(gè)處于或非門(mén)輸出端的定時(shí)器開(kāi)始計時(shí)，時(shí)間常數為tau，相當于1/（RTON*CTON）。固定時(shí)間（tau）結束后，兩個(gè)D類(lèi)輸出都被拉低至GND，而兩個(gè)比較器均被復位。這個(gè)過(guò)程在第二個(gè)比較器輸出端產(chǎn)生一個(gè)最小脈沖寬度tON（MIN）。隨著(zhù)輸入電壓的升高或降低，其中一個(gè)輸出（第一個(gè)比較器會(huì )觸發(fā)翻轉）的脈沖持續時(shí)間會(huì )增加，而另一個(gè)輸出的脈沖持續時(shí)間則維持在tON（MIN），從而導致?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(lèi)BTL放大器加載輸入信號后的輸出
 

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固定頻率調制和擴譜調制
 
Maxim的D類(lèi)放大器采用兩種調制模式：（1）固定頻率調制（FFM）模式；（2）擴譜調制模式。FFM模式下（圖3），鋸齒波的周期保持不變，這一點(diǎn)和傳統的PWM方案是一樣的。擴譜調制模式（圖4）下，鋸齒波的周期會(huì )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(jìn)行了夸大，以更好地展示其效果。

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

擴譜調制模式下，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(shí)擴展特定帶寬（nfo±10%，n為正整數）內的諧波分量。這時(shí)大量的頻譜能量并不是集中在開(kāi)關(guān)頻率的各倍頻處，而是在一個(gè)隨頻率而增加的帶寬內展寬。頻率超過(guò)數兆赫茲后，寬帶頻譜看起來(lái)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，并具有較高的峰值（圖5a）。而在擴譜調制模式下，能量包含在較寬的頻帶內，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的擴譜調制模式
 

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擴譜調制模式將EMI輻射降至最低

Maxim的擴譜調制技術(shù)允許D類(lèi)放大器真正“免除濾波器”，只要揚聲器電纜不是太長(cháng)。傳統的PWM架構通常需要大尺寸的輸出LC濾波器，以確保使用D類(lèi)放大器的消費類(lèi)產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足EMI規范要求。Maxim專(zhuān)有的擴譜調制技術(shù)降低了D類(lèi)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(mǎn)足EMI規范要求（見(jiàn)附錄）。
 
EMI規范要求終端產(chǎn)品必須通過(guò)現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(huì )，美國標準）所制定的限制標準，以確保最低程度的電磁干擾。按照這些機構的定義，電磁干擾會(huì )中斷、阻礙或降低電子和/或電氣設備的有效性能。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頻率來(lái)衡量的。重復頻率越低，準峰值讀數也就越低。1
 
擴譜調制充分利用了準峰值檢測的平均特性，從而大大降低EMI的測量結果（表1）。在擴譜調制模式下，D類(lèi)放大器的峰值基波頻率在一定范圍內隨機變化—通常在其基本開(kāi)關(guān)頻率的±10%范圍內。假設分析儀使用120kHz分辨率帶寬進(jìn)行準峰值檢測，那么除了開(kāi)關(guān)頻率基波和幾個(gè)高次諧波外，開(kāi)關(guān)能量在任何單個(gè)中心頻率下都只出現一段時(shí)間。

圖6：MAX9759的輻射數據（MAX9759EVKIT，擴譜調制模式下使用3"雙絞線(xiàn)揚聲器電纜并且“無(wú)濾波器”）
 

結論

D類(lèi)放大器的近似滿(mǎn)擺幅轉換特性和快速開(kāi)關(guān)頻率會(huì )產(chǎn)生較強的射頻輻射和干擾。在揚聲器等發(fā)聲裝置重現音頻內容之前，一般都需要使用龐大且昂貴的LC濾波器來(lái)降低這種高頻干擾。但是現在，如果采用有效的PCB布局以及短的揚聲器電纜，Maxim的擴譜調制技術(shù)可以真正實(shí)現低功率應用的“無(wú)濾波器”工作。