善用展頻調變特性　降低D類音訊電磁干擾

隨著性能的提高和成本的降低，D類放大器所面臨的主要挑戰依然是輻射發射或電磁干擾(EMI)問題，可攜式裝置的設計人員也愈來愈關注電磁干擾或射頻(RF)干擾的問題。不過，D類音訊在展頻調變技術的進展，使開關放大器毋需濾波器就能降低射頻輻射。  

從D類拓撲結構尋找電磁干擾源  

D類放大器採用參考的三角波或鋸齒波對音訊訊號進行調變，產生被放大的脈衝寬度調變(PWM)開關輸出形式的訊號。雖然調變方式可能有所不同，但所有的D類放大器都以調變頻率所決定的頻率--通常遠高於音訊範圍，一般公認在20～20kHz的範圍內，連續地進行開關操作，輸出滿擺幅訊號。控制方波載波的工作週期(Duty Cycle)，使其平均值與輸入訊號的瞬時值成正比。典型的開關頻率大於輸入訊號最高頻率的十倍。在大多數D類放大器中，還會使用一條帶有誤差訊號的回授路徑，來提高總諧波失真和雜訊(THD+N)性能、電源電壓抑制比(PSRR)和其他特性。  

D類放大器在實際應用中所受的限制顯而易見，高頻能量會出現在開關頻率和它的諧波以及方波的頻譜成分上。先前，D類放大器還須利用一個低通濾波器--通常為兩極點的巴特沃思LC(電感加電容)濾波器，來濾除大電流的高頻方波，只留下音訊訊號。在新型D類放大器中，一種無濾波器的實現方法採用喇叭本身作為低通濾波器元件，這些新的「無濾波器型」D類放大器在可攜式設計中變得十分流行。但不幸的是，這一方法所產生的電磁干擾強度可能超出了傳統的帶有濾波器的D類放大器的要求。  

輻射與電磁干擾問題待克服  

曾有針對D類放大器的評論是，在此類方法上，人們已過度投入努力，因為在理論上其效率非常高，但實際應用中卻困難重重，尤其是在一個電磁相容性(EMC)法規十分嚴格的環境下，無法確定200kHz的高功率正弦波是否是一個好的切入點。可攜式設計的趨勢加劇了電磁干擾問題，由於產品變得越來越小，元件、引線和電線離得越來越近，發展合適的印刷電路板設計變得越來越困難；同時由於面積的限制，幾乎難以採用濾波器。目前的發展趨勢要求裝置的音量越來越高，因而需要更高的功率和電流，從而產生更大的輻射。  

此外，在單一平台中融合多種無線通訊功能，包括藍牙、無線區域網路(WLAN)等，更使電磁干擾成為巨大的難題。電磁干擾除了是產品內部須要直接考慮的問題外，其他外部系統的射頻輻射干擾也是一個須要考慮的問題。大多數的消費類系統須要通過美國聯邦通訊委員會(FCC)的檢測，這些檢測主要是針對產品的輻射對其他使用射頻頻譜裝置的干擾問題。  

高效率與低THD+N難兼顧  

有許多方法能用以對抗電磁干擾，其中之一是減慢或軟化方波的邊緣，但代價是THD+N會增大，因為這樣會減弱對到來的類比音訊訊號精確取樣的能力，並使效率降低。使用LC濾波器能大福降低電磁干擾，但LC濾波器體積很大並十分昂貴，其尺寸和成本隨輸出功率而增大。一旦引線的長度達到其所傳輸訊號波長的四分之一，電路板(PCB)引線和電線在本質上將具有天線的功能，產生大量的輻射，因此通常引線的長度愈短愈好；其他的辦法包括讓傳輸高頻訊號的PCB引線從地平面之間通過、使用絕緣的元件和環形電感等。  

對於無濾波器的D類系統，連接放大器輸出和喇叭的引線和電纜長度很可能是最大的射頻輻射源，在靠近放大器的位置與喇叭串聯放置一個鐵氧體磁珠等傳統方法，都能有效降低輻射。鐵氧體磁珠能產生射頻扼流器的作用，衰減高頻訊號成分，但是鐵氧體磁珠僅在較窄的頻率範圍內有效，可能難以在整個輸出雜訊的頻寬範圍內提供足夠的衰減，如果PCB設計和濾波器不能將電磁干擾降低到可接受的水平，那麼可以採用遮罩措施。  

此外，電源是另一個可能的電磁干擾源，D類放大器以與出現在電源線上的輸出開關邊緣相關的大幅度窄脈衝的形式抽取電流，而通過適當的設計和旁通技術能降低與電源相關的電磁干擾。  

展頻調變頻率隨機變化  

雖然在輸出端的降低技術是有效的，但最好的方法還是一開始就使放大器本身產生較小的干擾，與以前的D類拓撲結構相比，展頻裝置提供這個可能性。展頻技術已經具有超過半個世紀的歷史，最早被用於通訊系統和軍用雷達等應用中。在過去展頻調變技術被廣泛應用於其他領域，尤其是時脈電路，當應用於D類放大器時，展頻技術也會帶來相似優點。  

展頻調變器能在中心開關頻率附近的頻段，內調節輸出橋接器的開關頻率，例如在300kHz中心頻率附近做具有+/-30%的頻率擴展。只要頻率變化一直是隨機的，從簡單的掃描到載頻的不相關跳變等各種方法都能作為實際的變頻方法。展頻調變方案有一些關鍵的優勢，在維持高效率和低THD+N的同時，降低輻射雜訊和電磁干擾，值得注意的是總能量並沒有減少。如圖1所示，峰值能量降低，但總能量保持不變，只是分布到一個更寬的頻段內，雜訊的頻寬變得更大，但在任何一個頻點上的雜訊峰值都比由固定頻率裝置產生的雜訊要小。

圖1 峰值能量與總能量的變化

通過在某一頻譜範圍內隨機地改變開關波形的頻率，展頻的頻譜成分被壓平，圖2通過使用快速傅立葉變換(FFT)，顯示對雜訊能量的影響。右圖中，從固定頻率放大器的FFT可以看出，集中在諧波上的峰值能量更高；左圖中，從展頻調變放大器的FFT可以看出，所有的峰值能量都較低，並且諧波較少，從而導致一個更高的雜訊底部。

圖2 雜訊能量變化

改善電磁干擾 縮減濾波器  

展頻調變技術主要有兩方面的優點：更低的輻射雜訊峰值帶來電磁干擾性能的改善，並且縮小甚至不再需要電磁干擾濾波器，如圖3所示的一款引入展頻技術的D類音訊放大器。

圖3 帶有展頻調變技術的D類音訊放大器

表1顯示FCC和歐洲工程標準(CE)的D類放大器輻射標準，其適用於任何不做發射用途的數位消費性裝置，所有的消費性電子產品在美國和歐洲上市前必須先通過這兩種認證。

表1　FCC和CE的D類放大器輻射標準
頻率範圍(MHz)	FCC B級限制(μV)
0.45～1.705	48
1.705	48
頻率範圍(MHz)	CE B級限制(DbμV)
0.15～0.50	56
0.50～5	56
5～30	60

如圖4所示，對於帶有2英寸揚聲器電纜，且沒有濾波器元件的產品進行的初步電磁干擾測試，在FCC B級限制測試過程中顯示出色的電磁干擾性能，上方的線表示FCC B級的限制，雜訊頻譜必須一直低於這條線才符合FCC的發射要求。

圖4 輻射發射30M～1,000MHz時，揚聲器電纜(水平極化)和展頻調變情形

展頻調變技術為D類音訊放大器的應用帶來顯著的優點，它降低射頻輻射，並簡化諸如使用LC濾波器等高成本的降低電磁干擾的策略，大幅減少傳統D類拓撲結構在可攜設計領域中曾面臨的障礙，能從中獲益的相關應用包括任何須要遵從FCC/EC規則，或其他諸如Mil-Std-461等與電磁干擾相關規則的可攜式裝置。此外，任何須要降低系統雜訊的可攜式裝置如通訊裝置、音樂播放器、廣播設備以及麥克風等，都能從展頻技術中獲益。  

電磁干擾是系統級設計須要考慮的問題，聰明的系統設計人員會從設計中所使用的單元模組和元件著手，採用所有可以支配的工具建立高性能產品，使用具有展頻調變特性的裝置，能有效地降低可攜式系統設計的電磁干擾訊號。  

(本文作者任職於美國國家半導體)