D类音频放大器

由于D类音频放大器的高效率，已成为消费电子市场中流行的技术之一。它采用输入的模拟信号对高频方波进行调
制。方波本身可以为固定频率、可变频率，或仅是频率不固定的随机脉冲。用两个极点的巴特沃斯低通滤波器，可滤除高频分量并恢复原始的音频信号。在“无滤波器”结构中，扬声器本身的电感可作为滤波器的一部分。一种通用的D类组态为脉冲宽度调制（PWM）结构，其采用固定频率波形，改变占空比以在低通滤波器之后产生移动的信号平均量，如图4所示。

开关结构的优点很明显, 即高频、低功耗和小型的散热设计。但增加效率必然会提高成本。为了实现高效率驱动，需
要用一个陡峭的快速切换的方波信号。这同样会导致数字系统中出现多余的伪信号，因为频谱能量大量集中在方波的边沿。同样，会存在一些过冲，造成波形在短时间内超出最大和最小电压。过冲在输出频谱中产生额外的高频分量，从而恶化了EMI和音频性能。


图4. D类音频放大器的脉冲宽度调制

计算EMI

为了计算EMI，对于电子工程师、PCB布局工程师和制造工程师而言，重要的是将PCB布局规划作为电路设计的一
部分。与EMI有关的一般PCB设计指南归纳如下：
• 由于存在电压波动，在电源和接地之间放置退耦电容。电容的随意放置会恶化EMI问题，本文结束附有退耦电容的使用参考。
• 电源平面应远离PCB的边沿。
• 避免迹线在接地层或电源层中截止，这会形成全向开口
• 适当终接所有高频时钟线路
• PCB连接器的正确滤波
• 良好的PCB设计可避免环路天线效应。环路天线包围正向电流和返回电流都在定义好的传导路径上的任何线路。
可以通过抑制送入到天线的电流源来阻止辐射。对于音频工程师而言，以下几点很重要：
• 将音频放大器至扬声器的迹线尽量取短。一旦迹线长度达到λ/4，将产生明显的电磁辐射，这时PCB迹线和/或线路会作为天线。
• 对于无滤波器的D类系统，连接放大器输出端到扬声器的迹线和电缆长度可能是射频辐射的最大来源。

将与扬声器串联的铁氧体磁珠靠近放大器放置会有效果。为了更好地理解铁氧体磁珠的抑制原理，将铁氧体磁珠分解为与频率相关的电阻和电感元件，R(f)和L(f)很有帮助，如图5所示。

图5. 电阻和电感作为频率的函数

考虑到抑制EMI的目的，将铁氧体磁珠用作电阻，但因为RDC＝0，所以不存在任何直流压降。在所关心的频率明显低于1 MHz时，这一点使磁珠非常有用。再者，如图所示，把铁氧体磁珠理解为两个元件的电压分压器的部分来认识其有效性很重要。Z1和Z2与频率相关。为了实现期望的低通滤波器函数，应存在以下关系：在需要的频率下Z2>Z1，在噪声频率下Z1>Z2。

通常铁氧体作为串联元件，并联元件是电容，其可以是物理电容或者集总电容。传输函数表明随着频率（1/jωC）增加，Z1将会增加，而Z2会减少，系统将被阻尼到谐振响应显著消失的程度。D类放大器中主要的固有周期性方波问题在于能量集中在谐波间隔中。