- D類(lèi)音頻應用中的電磁干擾
- 通過(guò)減緩部分邊沿輸出過(guò)渡時(shí)間來(lái)改善效率
- 適當的印刷電路板設計可大大降低放射量
對于D類(lèi)放大器來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的問(wèn)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(huì )導致更多的電磁干擾。最新開(kāi)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對于設計人員來(lái)說(shuō)很重要，它可干擾系統內的IC器件和其他的電子設備。此外，工程人員還需面對一項艱巨的挑戰，即要符合有關(guān)EMI限制標準，例如FCC、CE、Mil-Std-461和汽車(chē)系統專(zhuān)用標準等。第一個(gè)由半導體供應商推行的EMI抑制功能是擴展頻譜調制。擴展頻譜調制與傳統的脈沖寬度調制(PWM)不同，其輸出橋路的開(kāi)關(guān)頻率只會(huì )在中心頻率附近的頻帶內變化。
雖然每個(gè)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?jì)A向散布在較寬闊的頻帶內，所以總高頻能量會(huì )如同一個(gè)固定頻率器件一樣保持不變，但在頻帶內任何一點(diǎn)頻率上的噪聲均可被降低。圖1比較了一個(gè)固定頻率器件和一個(gè)擴展頻譜器件的近場(chǎng)EMI測量結果。正如圖中的紅色線(xiàn)表示，峰值能量被減少。如果實(shí)現的方法正確，那擴展頻譜可以作為一個(gè)非常有效的方案，因為它不會(huì )對效率和THD造成任何不良的影響。這種技術(shù)現已應用在例如LM4675、LM48410和LM48520之類(lèi)的器件上。
圖1.D類(lèi)系統的近場(chǎng)EMI測量結果。從紅色的虛線(xiàn)可看出左邊的固定頻率時(shí)鐘方案和右邊的擴展頻譜調制之間的分別。
為了進(jìn)一步降低器件的EMI輻射，半導體制造商推行了邊沿速率控制(ERC)。D類(lèi)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(shí)間越快，則邊沿所包含的高頻能量就越多。因此，假如輸出過(guò)渡時(shí)間可以被減少，那么便可繼而削減由系統發(fā)出來(lái)的高頻能量。
不過(guò)，減少過(guò)渡時(shí)間也可能對D類(lèi)放大器的性能帶來(lái)不好的影響。隨著(zhù)花在狀態(tài)之間有效區域的時(shí)間越長(cháng)，輸出器件便會(huì )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(shí)間也會(huì )使PWM信號偏離完美的方波，導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測試結果符合FCCB級限制水平。
雖然邊沿速率控制有可能對D類(lèi)放大器的性能構成威脅，但它在降低EMI上的表現卻使設計人員欲罷不能，從而令ERC技術(shù)不斷改進(jìn)。只要實(shí)現的方法正確，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(gè)很好的例子是美國國家半導體(NSC,Nationalsemiconductorcorporation)的LM48310(單聲道)和LM48411(多聲道)D類(lèi)放大器。
以上兩款器件均采用了美國國家半導體專(zhuān)利的增強型放射抑制(E2S)系統。該E2S系統可通過(guò)減緩部分邊沿輸出過(guò)渡時(shí)間來(lái)改善效率。通過(guò)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(lèi)放大器水平。至于由ERC引致的PWM音頻信號誤差則可通過(guò)內部反饋環(huán)路進(jìn)行修正，以減少THD+N并改善音頻品質(zhì)。[page]
圖3.沒(méi)有邊沿速率控制的擴展頻譜D類(lèi)放大器。器件在EMI測試中，在沒(méi)有使用任何濾波器的情況下驅動(dòng)20英寸長(cháng)的揚聲器電纜，其結果符合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(guò)了FCC的B級標準，并用一條12英寸長(cháng)的無(wú)掩蔽雙絞線(xiàn)來(lái)驅動(dòng)一個(gè)揚聲器。圖3表示出純擴展頻譜器件在同一測試中的結果。正如圖中所示，美國國家半導體的E2SD類(lèi)放大器可達到極低的EMI水平，同時(shí)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(lèi)技術(shù)的最新發(fā)展顯著(zhù)減低了由D類(lèi)放大器放射出來(lái)的EMI，但至于在射頻(RF)干擾方面，適當的印刷電路板設計同樣可大大降低放射量。毫無(wú)疑問(wèn)，這是一個(gè)浩瀚的課題，而相關(guān)的文章也多如恒河沙數，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(kāi)關(guān)信號的跡線(xiàn)隔離，從而可有效減少耦合到電路敏感部分的噪聲。這個(gè)方法不單可加強音頻性能，而且還可將產(chǎn)生寄生天線(xiàn)的機會(huì )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(kāi)關(guān)節點(diǎn)隔離，這包括器件輸出、輸出橋路電源和任何與這些節點(diǎn)相關(guān)的外部元件。
圖5.LM48310示范板的頂層。
然而，不少D類(lèi)放大器均擁有多個(gè)電源和接地，一個(gè)用在低噪聲和輸入電路，而另一個(gè)則用在較大電流和帶噪聲的輸出級。假如個(gè)別電源和接地間的電位差太大，那器件便不能正常運行?？墒?，當器件在隔離印刷電路板的噪聲區和寧靜區運行時(shí)，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(shí)為器件保持統一的電位。
由于所有的個(gè)別接地節點(diǎn)都連接到同一個(gè)覆銅(cupperpour)，該布局與星形接地的連接方式類(lèi)似，使這些點(diǎn)上的接地電位保持一致。不過(guò)，嘈雜接地與無(wú)噪聲接地本身是分隔開(kāi)的，只有在接地進(jìn)入電路板時(shí)才會(huì )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(wú)噪聲接地。圖7所示相同的原理應用到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(jìn)入電路板時(shí)才會(huì )連接在一起。從這點(diǎn)上兩個(gè)層面會(huì )分離，而寧靜節點(diǎn)會(huì )持續與開(kāi)關(guān)節點(diǎn)隔離。這種技術(shù)可有效防止開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)入寧靜區，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(lèi)放大器己成為便攜和功耗敏感應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(jìn)方面，使用D類(lèi)放大器使得設計的工作變得更簡(jiǎn)易。再者，較寬松的PCB布線(xiàn)技術(shù)和比較少的外部元件都可將設計周期縮短，并縮小系統尺寸和降低成本，在不影響音質(zhì)的前提下延長(cháng)便攜產(chǎn)品的電池壽命。
