降低音效系統電磁干擾　展頻調變式D類放大器出線

隨著產品愈小，機體空間也變得相當珍貴，因此設計人員經常需要消除遮蔽(Enclosures and Shielding)，以其他的方法來抑制EMI和雜訊，像是採用更好的電路層(Circuit Level)隔離方法。較小的機體空間和眾多的功能使得電路板的密度提高，再加上晶圓級封裝的應用和微型化的電路板設計規範，都使得EMI的問題更受到關注。  

EMI包含放射性(Emissions)與電磁耐受度(Susceptibility)兩方面，放射性是指裝置產生幅射性雜訊的程度，而電磁耐受度則是指裝置受到電磁波影響的程度。如果能有效地控制電磁放射的程度，那麼可使日後的電磁耐受度處理工作變得容易。放射性一般來說可分為輻射性(Radiated)和傳導性(Conducted)兩種。輻射性放射來自電路板、走線或電線，這些能量會以電磁波的形態經空氣傳播，並影響附近的接收器。必須注意的是，接收器(Receiver)泛指任何操作會受到外來電磁能量所影響的電路，例如電路板走線(Trace)或電路引線(Wire)。至於傳導放射則是指能量從電路經電線或電纜脫逸或被傳導。傳導放射可能直接引發問題，或將本身呈現為幅射性放射。  

天線/非預定天線影響放射性高低  

為了解兩種放射情形，必須先對天線有一定的認識。圖1可看到熟悉的波長和頻率之間的物理關係。

圖1　波長和頻率間的物理關係

一根有效的天線最短的長度要求為波長的四分之一。以空氣為例，其介電係數為1，但假如是FR4玻璃纖維板或玻璃環氧電路板(Glass-epoxy PCB)時，介電係數便會降低至4.8。這會驅使一個訊號在走線中傳播得較慢，一旦到達FR4物料的介質梯度，便會造成波長縮減(Wavelength Shortening)效應。例如，一個200MHz的訊號在空氣中具有16.7cm的波長，而在內層的電路板走線，波長便變為16.7/4.8(1/2)=7.6cm。  

電路板走線的長度可以短於波長的四分之一(λ/4)，而且仍是有效的天線，能夠同時增強放射性和電磁耐受性。除了內層外，表面的走線亦可顯示出波長縮減效應，因為介電質的一面已足可改變傳送的整體介電特性。  

對於非預定天線(Unintended Antenna)，例如電路板走線等，可說是數位系統中輻射性雜訊背後的黑手。如果從輻射性放射的角度去考慮，一個D類的音效放大器本身也可被視為一個數位系統。電磁學的其中一個主要定理是其相互性(Reciprocity)，因為電流的流動可產生一個電場，而電通量(Electric Flux)的變化也可造成電流流動。按照這個原理，一條天線可以用來接收、也可用來發送。假如有任何非預定的天線在頻率下受到雜訊電流的刺激，而其長度又與波長的四分一接近時，便會產生輻射性放射。  

圖2為兩種一般常用的天線設計--簡單的拉桿(Whip)和偶極(Dipole)天線。一個有趣的事實是拉桿天線本身就是半條偶極天線，其本身的水平接地經感應後，可成為另外的半條偶極天線。

圖2　拉桿與偶極天線設計圖

天線的作用是通過電氣能量輻射來發送和接收訊號。不過，就如圖3所示，電路板中的非預定天線可包括長走線(Long Trace)、通路(Vias)、元件的引線(Lead)和引腳(Pin)、無載電路板(Unpopulated PCB)的連接器和插座。

圖3　非預定天線組成零件

電路板上一些沒有端接的表面走線，或埋在下面的走線可以變成非預定拉桿天線(Unintended Whip Antenna)，而在不同電位勢下的走線片段，可能因不良的布局而變成偶極天線。同時，電路板的導電層可作為雙極天線的另一隻腳，而電路板則會被耦合到電場中。  

電路板設計有效對抗EMI  

D類音效放大器由於效率高，因此迅速成為消費市場中最多人採用的拓撲技術，它利用進入的類比訊號來調變一個高頻方波，而該方波本身可以是固定或可變頻率，又或甚至是沒有固定頻率的隨機脈衝。一個典型的低通濾波器，即兩極Butterworth，會用來過濾訊號中的高頻內容並還原到原本的音效訊號。在沒有濾波器的拓撲中，喇叭本身的電感會被合併成為濾波器的一部分。脈衝寬度調變(PWM)是一種普遍的D類拓撲技術，它採用固定頻率的波形和通過改變工作周期來在低通濾波器後面產生出一個移動平均訊號(圖4)。

圖4　脈衝寬度調變可在低通濾波器後產生移動平均訊號。

採用切換拓撲技術的好處相當明顯，包括高效率、低功耗和小巧的熱敏設計。可是，增加效率並不是沒有代價。為了提升效率，需要銳利和迅速切換的方波，但隨著光譜能量高度集中在方波邊沿，這會造成類似數位系統中的問題。同時，這裡可能會出現一些過衝電壓(Overshoot)，使得波形可短時間超越最高和最低的電壓。過衝電壓會在輸出光譜上產生出額外的高頻內容，並對EMI和音效性能造成不良影響。  

為了對抗EMI，最重要是集合電氣工程師、電路板布局工程師和製造工程師的力量，合力研發出一個最佳的電路板板面布置，並作為電路設計的其中一個重要步驟。要妥善處理EMI的問題，一般相關的電路板設計指引包括：

‧	在判定會出現電壓波動的電源和接地間放置去耦電容器。假如隨意放置電容器，可能會使得EMI的問題惡化。
‧	電源層應該與電路板邊沿有距離。
‧	避免在接地或電源層內切斷走線，否則可能會造成非預定的穿孔。
‧	對所有高頻時鐘線路提供足夠的終端。
‧	為電路板連接器提供適當濾波。
‧	優良的電路板設計應避免出現迴路天線。迴路天線會包含所有的路線，確保正向和反向的電流都在已定義的傳導路徑上。
‧	可以通過抑制供給天線的電流源來制止輻射。

抑制天線電流減少輻射  

對於音效設計人員來說，必須考慮幾項特點。例如把由音效放大器到喇叭的走線長度縮到最短，因為一旦走線長達波長的四分之一，只要有明顯的輻射出現，走線或電線便有機會變成天線。對於無濾波器的D類系統，連接著放大器輸出和喇叭的走線或電纜的長度將會是射頻放射的最大來源。  

在放大器附近，放置鐵氧體磁珠(Ferrite Beads)以及與喇叭串列，是很有效的方法。為了進一步了解鐵氧體磁珠的抑制方法，可將鐵氧體磁珠分成若干個相對於電阻和電感的頻率，正如圖5所示。由於要達到抑制EMI的目的，鐵氧體磁珠需要作用為電阻器，但因為R_dc=0，所以該處沒有直流電壓降，這使到磁珠對於頻率低於1MHz的應用很有效。同時，如圖6所示，要使得鐵氧體磁珠生效，便要考慮到兩元素分壓器。Z₁和Z₂都是頻率相關，為了達到所需的低通濾波器功能，以下的關係必須成立：在要求的頻率下Z₂>Z₁和在雜訊頻率下Z₁>Z₂。

圖5　鐵氧體磁珠抑制方法

圖6　透過適當的設計，輻射性雜訊與EMI可大幅削減。

鐵氧體通常會用來作為串聯元素，而電容便作為分流元素，可以是實質的電容又或是集中式電容。移動函數表示Z₁和Z₂將會分別隨著頻率(1/jωC)增加和減少，而系統將會有某程度的阻尼，使得共鳴效應被顯著地削減。  

從圖中可見，在處理D類固有的周期性方波方面，最基本的問題是在諧振間隔時出現的集中能量。為了設計出「寧靜」的低EMI D類放大器，其中一個方法便是把頻率不停來回抖動，或是擴展切換的頻譜，使得在頻譜內任何點上的能量都獲得削減。與傳統的D類放大器比較，展頻調變方案有幾個重要的優點。這除了可保持高效和低的總諧波失真加噪訊THD+N外，更重要是可把輻射性雜訊和EMI大幅地削減(圖6)。  

電磁性干擾是一個系統等級的問題，對於今日的音效設計人員來說，在設計過程中必須考慮到EMI的問題，因此要盡量採用最好的設計方法和明智地選擇元件和材料。  

(本文作者任職於美國國家半導體)