多種技術(shù)破解電磁干擾難題 D類(lèi)放大器市場(chǎng)前景看好

　　系統(tǒng)需求決定集成程度

　　●便攜式應(yīng)用促進(jìn)器件集成度提高

　　●系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧靈活性

　　王新成　　功能整合是降低IC成本、增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的必然做法。目前Δ-Σ方式的D 類(lèi)放大器集成在藍(lán)牙耳機(jī)、MP3播放器、音頻編解碼器和USB（通用串行總線）音頻等線寬小于0.25μm的混合型芯片中，輸出功率都不大，以驅(qū)動(dòng)耳機(jī)和線路輸出為主。模擬自振蕩和三角波比較方式的D類(lèi)放大器多集成在PMU（電源管理單元）、LED（發(fā)光二極管）驅(qū)動(dòng)、音樂(lè)門(mén)鈴等線寬 0.5μm～1.2μm的芯片中，輸出功率不超過(guò)2.5W.這些產(chǎn)品對(duì)0.5W～2W輸出功率的D類(lèi)放大器市場(chǎng)有沖擊，但對(duì)大功率D類(lèi)放大器市場(chǎng)沒(méi)有影響。

　　一些D類(lèi)放大器內(nèi)置了PWM調(diào)制器和功率MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）管，這使得器件的外圍電路較為簡(jiǎn)單，在PCB板上所占的面積較小，使用比較方便，其缺點(diǎn)是不易實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)，輸出功率也不能隨意改變。調(diào)制器和功率MOS管分立的 D類(lèi)放大器由于應(yīng)用比較靈活，系統(tǒng)工程師可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，通過(guò)變通外圍電路和選擇不同的器件，設(shè)計(jì)出與眾不同的產(chǎn)品。

　　林欣欣　　移動(dòng)基帶芯片組一直有一個(gè)或多個(gè)音頻放大器，但這些集成音頻放大器的使用僅局限于那些音頻輸出功率和聲音質(zhì)量并非至關(guān)重要的移動(dòng)設(shè)備。由于MP3音樂(lè)的流行，聲音質(zhì)量成為移動(dòng)設(shè)備的重要賣(mài)點(diǎn)，高輸出功率能力、低失真、無(wú)“噼啪 -滴答”噪聲等性能優(yōu)異的獨(dú)立式音頻放大器將在中檔音樂(lè)手機(jī)中維持相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。但對(duì)于擁有多個(gè)音頻源和多路音頻輸出的較高檔多媒體手機(jī)而言，情況則大不相同，因?yàn)檫@些手機(jī)需要高質(zhì)量的音頻處理和放大。由于這類(lèi)便攜設(shè)備的空間極為有限，諸如音頻管理子系統(tǒng)的集成解決方案正在贏得更大的市場(chǎng)份額。

　　羅姆專(zhuān)家　　以手機(jī)為代表的便攜式產(chǎn)品對(duì)于小型、輕量化的要求很高，D類(lèi)放大器和 LED驅(qū)動(dòng)器、LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）等單片化的要求的確存在。但小型、輕量化的方向未必一定要單片化。比如，羅姆的CSP（芯片級(jí)封裝）技術(shù)可使實(shí)裝面積大幅縮小，基板布線也非常方便，另外，由于工作特性影響引起的噪音問(wèn)題也得以解決。

　　羅姆的D類(lèi)放大器系列中，PWM調(diào)制器、柵極驅(qū)動(dòng)、功率輸出三極管、保護(hù)電路等必要電路全部集成于一個(gè)芯片中。對(duì)整機(jī)來(lái)說(shuō)，具有進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的優(yōu)點(diǎn)。通常認(rèn)為揚(yáng)聲器輸出在100W以下時(shí)，單片電路可以有效工作，如果揚(yáng)聲器輸出功率超過(guò)100W，從輸出三極管的耐壓和特性方面考慮，需要多個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器和輸出三極管共同構(gòu)成。

　　郭俊杰　　實(shí)際應(yīng)用時(shí)，輸出功率較低的放大器必須將輸出級(jí)內(nèi)置于芯片之中，以便縮小器件體積。部分輸出功率較高的D類(lèi)放大器必須加設(shè)另一輸出級(jí)，以提高電流/電壓輸出，因此這類(lèi)放大器必須采用分立的MOSFET（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管），才可提高電流/電壓輸出。

　　張 揚(yáng)　　為了節(jié)省電路板空間，一些D類(lèi)放大器在芯片上內(nèi)置MOSFET，這對(duì)便攜式應(yīng)用非常重要；其缺點(diǎn)是輸出功率被固定，而且會(huì)受到允許功耗的限制。更大型的設(shè)備，通常采用外部MOSFET，因?yàn)檫@樣可以增加靈活性。

　　彌補(bǔ)電磁干擾“短板”

　　●多種技術(shù)緩解電磁干擾

　　●根據(jù)器件需求選擇濾波方式

　　張揚(yáng)　　所有的D類(lèi)調(diào)制技術(shù)都是將音頻信號(hào)編碼至脈沖流。最常見(jiàn)的技術(shù)是PWM.PWM技術(shù)之所以受到青睞，是因?yàn)樗跀?shù)百千赫茲的載頻下具有100dB或以上的音頻帶信噪比（SNR）——這么低的噪聲足以限制輸出級(jí)的開(kāi)關(guān)損耗。此外，調(diào)制器能實(shí)現(xiàn)幾乎100%的調(diào)制穩(wěn)定度，允許高輸出功率。

　　羅姆專(zhuān)家　　D類(lèi)放大器由高電壓輸出PWM調(diào)制的信號(hào)，開(kāi)關(guān)頻率雖只有數(shù)百千赫茲，但其高頻成分可以延伸至數(shù)百兆赫茲。這些噪音會(huì)通過(guò)電源線、揚(yáng)聲器線傳播，引起整機(jī)產(chǎn)生電磁輻射干擾噪音。

　　羅姆的D類(lèi)放大器對(duì)高電壓的開(kāi)關(guān)輸出電路采用最優(yōu)化控制，強(qiáng)化對(duì)輸出信號(hào)波形的過(guò)沖、下沖及伴隨而來(lái)的振鈴波形的抑制，從而實(shí)現(xiàn)輻射噪聲的降低。另外，通常情況下D類(lèi)放大器的開(kāi)關(guān)輸出之后，由PWM調(diào)制的信號(hào)需要恢復(fù)成模擬信號(hào)，需要設(shè)置低通濾波器。羅姆的D類(lèi)放大器，在手機(jī)及其他揚(yáng)聲器線材較短的機(jī)器中，上述的低通濾波器可以省略，能夠使外圍元件數(shù)量得以減少。魏智　　美信通過(guò)對(duì)D類(lèi)放大器的開(kāi)關(guān)頻率加抖實(shí)現(xiàn)擴(kuò)譜調(diào)制，實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)于標(biāo)稱(chēng)開(kāi)關(guān)頻率的變化范圍可達(dá)到±10%.盡管開(kāi)關(guān)波形的各個(gè)周期會(huì)隨機(jī)變化，但占空比不受影響，因此輸出波形可以保留音頻信息。擴(kuò)譜調(diào)制有效拓寬了輸出信號(hào)的頻譜能量，而不是使頻譜能量集中在開(kāi)關(guān)頻率及其各次諧波上。換句話說(shuō)，輸出頻譜的總能量沒(méi)有變，只是重新分布在更寬的頻帶內(nèi)。這樣就降低了輸出端的高頻能量峰，因而將揚(yáng)聲器電纜的EMI輻射降至最低。雖然一些頻譜噪聲可能由擴(kuò)譜調(diào)制引入音頻帶寬內(nèi)，但這些噪聲可以被反饋環(huán)路的噪聲整形功能抑制掉。美信的很多免濾波器D類(lèi)放大器還允許開(kāi)關(guān)頻率同步至一個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)，因此用戶可以將放大器開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置到相對(duì)不敏感的頻率范圍內(nèi)。

　　美信的新一代D類(lèi)音頻功率放大器采用了相同的擴(kuò)譜調(diào)制技術(shù)，并在這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了一項(xiàng)新的、正在申請(qǐng)專(zhuān)利的有源輻射抑制電路（AEL），在不降低音頻性能的情況下進(jìn)一步降低窄帶頻譜分量。

　　郭俊杰　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體有一系列無(wú)需濾波器的D類(lèi)放大器，以擴(kuò)展頻譜及增強(qiáng)版電波輻射抑制（E2S）技術(shù)為例，利用創(chuàng)新的技術(shù)，可將電磁干擾的影響減至最少。設(shè)計(jì)工程師只要采用已引進(jìn)這些新技術(shù)的D類(lèi)放大器，便不用擔(dān)心電磁波干擾器件的運(yùn)作。

　　此外，放大器若內(nèi)置擴(kuò)展頻譜調(diào)制電路，便無(wú)需加設(shè)輸出濾波器、磁珠或扼流圈。開(kāi)關(guān)頻率會(huì)在中心頻率的上下波動(dòng)，波幅約為±30%.這樣可減少爭(zhēng)用寬帶頻譜，確保揚(yáng)聲器、相關(guān)電纜及電路板走線所產(chǎn)生的電波輻射進(jìn)一步減少。相對(duì)來(lái)說(shuō)，固定開(kāi)關(guān)頻率D類(lèi)放大器會(huì)有較大量的電波輻射，若電磁波的頻率剛好是開(kāi)關(guān)頻率的倍數(shù)，創(chuàng)新的擴(kuò)展頻譜技術(shù)可將電磁波輻射擴(kuò)散至一個(gè)較大的頻帶范圍內(nèi)。開(kāi)關(guān)頻率的周期性波幅不會(huì)影響音頻信號(hào)的復(fù)制及轉(zhuǎn)換效率。

　　E2S技術(shù)可以減少電磁干擾，確保復(fù)制的音頻信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤，而且還可進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。由于E2S技術(shù)能夠有效抑制輸出噪聲，因此輸出方波的高頻成分大致上可以全部濾除，而另一方面又可大量減少“THD+N”，并且大幅提高轉(zhuǎn)換效率。由于D類(lèi)放大器采用E2S技術(shù)，可確保“THD+N”低至只有0.03%，轉(zhuǎn)換效率也可高達(dá)88%.

　　張洪為　　目前，有一些其他的調(diào)制技術(shù)如PFM（脈沖頻率調(diào)制）或類(lèi)似Δ-Σ調(diào)制類(lèi)型的非定頻PWM技術(shù)在D類(lèi)放大器中采用，但是PFM的寬范圍變頻給濾波器設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，類(lèi)似Δ-Σ調(diào)制類(lèi)型的非定頻PWM只能實(shí)現(xiàn)1階Δ-Σ環(huán)，好處有限，對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)和電源噪聲卻很敏感，使用并不廣泛。

　　由于D類(lèi)放大器使用的頻率一般在250kHz～500kHz之間，遠(yuǎn)低于30MHz，對(duì)喇叭的輸出還可以采用雙絞線，EMI的影響遠(yuǎn)低于一般想象。因此，我們建議小功率D類(lèi)功放不加濾波器。

　　王新成　　PWM技術(shù)在D類(lèi)放大器中起著決定性的作用，目前幾乎所用的集成D類(lèi)放大器都是基于PWM技術(shù)的，包括全數(shù)字Δ-Σ過(guò)采樣方式的D類(lèi)放大器，它的核心技術(shù)是PCM（脈沖編碼調(diào)制）-PWM的轉(zhuǎn)換算法。PDM（脈沖密度調(diào)制）是另一個(gè)很有前途的方法，因?yàn)樗哂懈鼉?yōu)良的EMI性能和更好的音質(zhì)，但要求載波頻率必須高于2MHz以上，用目前的工藝難以解決開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題。

　　華潤(rùn)矽威設(shè)計(jì)的PT5305、PT5306、PT5326全部采用了無(wú)LC（電感-電容）濾波器技術(shù)，EMI傳導(dǎo)噪聲比傳統(tǒng)方式低12dB，可以替代AB類(lèi)放大器。這些器件除效率是AB類(lèi)放大器的2.3倍之外，還具有比AB類(lèi)放大器更好的音質(zhì)。

　　林欣欣　　由于D類(lèi)放大器利用動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器的寄生電感和電容作為低通濾波器，市場(chǎng)上的產(chǎn)品大多都是“無(wú)濾波器”設(shè)計(jì)。但是，這沒(méi)有免除在放大器輸出上進(jìn)行EMI濾波的需要。無(wú)論D類(lèi)放大器采用的是何種調(diào)制技術(shù)，它始終會(huì)在輸出端產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。這開(kāi)關(guān)信號(hào)如果未被濾除，將沿著輸出和接地跡線傳播至系統(tǒng)的其他部分。安森美半導(dǎo)體建議音頻設(shè)計(jì)須留心EMI濾波和PCB布線設(shè)計(jì)兩方面的問(wèn)題。 EMI濾波器應(yīng)能消除可能與高于700 MHz RF頻率產(chǎn)生干擾的信號(hào)。常見(jiàn)的EMI濾波器解決方案是在D類(lèi)放大器的每路輸出增加鐵氧體片式磁珠，其中磁珠的位置應(yīng)該越接近放大器的輸出引腳越好。