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扩频调制技术在D类音频放大器中的应用优势分析

2020年08月15日 10:48 次阅读

D类放大器采用参考的三角波或锯齿波对音频信号进行调制,并产生一个被放大的通常具有脉冲宽度调制(PWM)开关输出形式的信号。典型的开关频率大于输入信号中感兴趣的最高频率的10倍。在大多数D类放大器中,还会使用一条带有误差信号的反馈路径,来提高总谐波失真和噪声(THD+N)性能、电源抑制比(PSRR)和其它一些性能特性。

D类放大器在实际应用中所受的限制是显而易见的。高频能量出现在开关频率及其谐波和方波的频谱成份上。直到不久以前,D类放大器还需要一个低通滤波器(通常为2极点的巴特沃思LC滤波器)来滤除大电流的高频方波,只留音频信号。在新型D类放大器中,一种无滤波器的实现方法采用扩音器本身作为低通滤波器元件。这些更新的“无滤波器型”D类放大器在便携式设计中变得十分流行。不幸的是,由于这一方法所产生的电磁干扰强度超出了传统的带有滤波器的D类放大器所允许的要求,所以有可能不允许使用它们。

便携式设计的趋势加剧了电磁干扰问题。由于产品变得越来越小,元件、引线和电线离得越来越近,适当的印刷电路板布局变得越来越困难。由于面积的限制,几乎不可能再使用滤波器。目前的发展趋势要求器件的音量越来越高,因而需要更高的功率和电流,从而产生更大的辐射。此外,在单个平台中融合多种无线通信功能,比如蓝牙Wi-Fi、无线局域网络等,更使电磁干扰成为一个突出的难题。电磁干扰除了是产品内部需要直接考虑的问题外,与其它外部系统的射频辐射干扰也是一个需要被考虑的问题。大多数的消费类系统需要通过一些FCC的检测,这些检测主要是针对产品的无意辐射对其它使用射频频谱器件的干扰问题。

有许多方法可被用来减少电磁干扰,如减缓方波的边沿,但这样会减弱对到来的模拟音频信号精确采样的能力并使效率降低,因此是以增大THD+N为代价的。使用LC滤波器能极大地降低电磁干扰,但LC滤波器体积很大并十分昂贵,其尺寸和成本随输出功率的增大而增大。一旦引线的长度达到其所传输信号波长的四分之一,PCB引线和电线在本质上将产生天线效应,产生大量的辐射,因此通常引线的长度要尽可能地短。

扩频调制技术在D类音频放大器中的应用优势分析

其它一些办法包括让传输高频信号的PCB引线从地平面之间通过,并使用绝缘的元件和环形电感等。对于无滤波器的D类系统,连接放大器输出和扬声器的引线和电缆长度很可能是最大的射频辐射源。例如,在靠近放大器的位置与扩音器串联放置一个铁氧体磁珠等传统方法都能有效降低辐射。铁氧体磁珠能起到射频扼流器的作用,衰减高频信号成份。但铁氧体磁珠仅在较窄的频率范围内有效,可能难以在整个输出噪声的带宽范围内提供足够的衰减。若PCB布局和滤波器不能将电磁干扰降低到一个可接受的水平,那么可采用屏蔽措施。电源是另一个可能的电磁干扰源。D类放大器以与出现在电源线上输出开关边沿相关的大幅度窄脉冲的形式汲取电流。通过适当地布局和旁路技术能降低与电源相关的电磁干扰。

虽然“事后”降低电磁干扰的方法是有效的,但最好的方法还是一开始就使放大器产生较小干扰。与以前的D类拓扑结构相比,扩频器件提供了这种可能。扩频技术不是最近才发展起来的,它的使用历史已超过半个世纪,最早被用于通信系统和军用雷达等领域。在过去的十年中,扩频调制技术被广泛应用于其它领域,尤其是时钟电路中,当被用于D类放大器时,扩频技术也会带来类似优点。

扩频调制器能在中心开关频率附近的一个频段(例如在300kHz中心频率附近进行具有±30%的频率扩展)内调节输出桥的开关频率。只要频率变化一直是随机的,从简单的扫描到载频的不相关跳变等各种方法都能作为实际的变频方法。扩频调制方案有一些关键的优势:在维持高效率和低THD+N的同时,可降低辐射噪声和电磁干扰,而总能量并没有减少。扩频后的峰值能量降低了但总能量保持不变,而是分布到一个更宽的频带内。噪声的带宽变得更大,但在任何一个频点上的噪声峰值都比南固定频率器件产生的噪声要小。

扩频调制技术主要有两方面的优点:更低的辐射噪声峰值带来电磁干扰性能的改善,并能缩小甚至不再需要D类应用中常见的电磁干扰滤波器,如61页图所示的一款引入扩频技术的D类音频放大器。

FCC和CE标准中的D类放大器辐射标准,它们适用于任何不做发射用途的数字消费类器件。所有消费类电子产品在美国和欧洲上市前必须先通过这两种认证。对带有2英寸扬声器电缆,且没有滤波器元件的产品进行初步电磁干扰测试,结果显示该产品在FCCB级限制测试过程中具有出色的电磁干扰性能。

扩频调制技术为D类音频放大器的应用带来了显著优点,它降低了射频辐射、简化了诸如使用LC滤波器等高成本的降低电磁干扰的策略,并且极大地减小了传统D类拓扑结构在便携设计领域中曾面临的障碍。能够从中获益的相关应用包括任何需要遵从FCC/EC规则或者其它诸如Mil-Std461等与电磁干扰相关规则的便携式设备。此外,任何需要降低系统噪声的便携式设备都能从中获益。

电磁干扰是系统级设计中需要考虑的重要问题,系统设计人员需要从设计中所使用的单元模块和元件入手,利用所有可以支配的工具来创建一个高性能的产品,采用具有扩频调制特性的器件能有效地降低便携式系统设计的电磁干扰。

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