D类功放对FM接收机的干扰处理方案
2010-12-18 10:46:02
来源：《半导体器件应用》2009年10月刊
点击：2072
1 引言
Class-D功放（D类功放）衍生的目的在于改善及提升AB类功放(Class-AB)的特性，简述如下。
(1) 效能提升，可达>85%（传统的AB类功放效能仅为50%）。
(2) 降低散热片的倚赖性，甚至在低功率（20W以下）时可完全将散热片舍弃，因此商业用途的产品体积即可缩小，如：手机、PMP 等。
(3) D类功放的高效率效应除了节省电源件器的成本以外，亦可节省电源的浪费或电池的消耗，优化整个材料系统及使用环境。
2 D 类功放简介
简单说，Class-D功放内部电路的设计方式，是将原始的类比信号波形与比它更高频率的三角波（或锯齿波）进行电压比较（透过电压比较器）。如此便可将以振幅高低性表示的信号调变成以脉波宽窄性表示的信号，此即是脉宽调变（Pulse Width Modulation；PWM）。之后，将PWM 信号输出到MOSFET的闸极，以控制晶体管的导通、关闭（即：开关频率），同时也在这个阶段进行信号功率放大，最后MOSFET 的输出端接LC低通滤波电路，将PWM 的载波滤除，使原始信号波形重新呈现。
Class-D功放有与优点同时，存在的另一个问题是：EMI干扰。电磁干扰是由于Class-D功放之功率晶体管以开关方式操作，在高速开关及大电流状况下所产生。大多数的市场要求下此项EMI干扰必须通过FCC等电磁干扰的规范，解决的方案是使用LC滤波器或磁珠(bead)滤波器以过滤其高频谐波。在此规范下EMI成为D类功放进入的门坎之一，中高功率的D类功放因为EMI太强，目前采用LC滤波器来解决；小功率则用Bead处理即可，但通常还要配合PCB layout及零件的摆设位置。
3 D 类功放应用
目前为止，调频(FM)收音机在高传真音乐和语音广播中已经被采用好多年，它能提供极佳的音质、讯号稳定性和抗噪声能力。最近，FM收音机已开始出现在更多的行业和个人媒体播放器等市场应用中。为了电池续航能力，在后级功率放大器选用上与Class-D功放的结合是不可避免的趋势，但出现最主要的问题：EMI干扰。所以对抗EMI的干扰是一门重要的学问。坊间上FM的干扰解决方式采用金属材质的外壳屏蔽，以便衰减谐波辐射的干扰能量，进而使得FM接收正常。
我公司对Class-D功放与FM收音机结合一直在进行实验，此次选择坊间常用的CD9088CB和JFR-300（FM模块）做相关实验。
CD9088CB是一块单片调谐调频收音机电路，其外围电路简单，应用成本低，电路内中频频率为70kHz的锁相环系统选择性，由有源RC滤波器实现静音电路可抑制非中频信号和太弱的中频信号，其特点如下:
(1) 内含单声道收音机从射频输入到音频输出的所有电路功能电路；
(2) 静音电路；
(3) 内含自动频率控制系统，可用于机械调谐；
(4) 电源极性保护；
(5) 从88MHz至108MHz的频率范围内可实现自动搜索。
CD9088为单声道输出，搭配我公司TMPA2056DM (2.3W@5V， RL=4Ω)在极少周围组件下，可实现单声道收音机功率放大器。图1所示为单面PCB LAYOUT图。
图2为用SPECTRUM ANALYZER(Agilent N9320A)，单CD9088CB工作时，频率范围88MHz~108MHz，黄色线在板子天线端所量测到的接收讯号与接收台数，估算约20个左右。图3为当TMPA2056DM也工作时，但在TMPA2056DM输出不加LC滤波器条件下，绿色线几乎盖掉所有接收台数，此为严重的EMI干扰。图4为当TMPA2056DM输出加LC滤波器时，绿色线是在板子天线端所量测到的接收讯号与接收台数，可发现与黄色线重迭，无干扰整个接收讯号与接收台数。图3与图4是在自动调台时，感应CD9088CB中周频率，皆有清晰的声音出现，显示TMPA2056DM工作时，并无干扰。在自动调台过程中，可收到台数约12个。另外当CD9088CB搭TDA2822（AB类功放）时，在自动调台过程中，可收到台数亦约12个。比较可见，TMPA2056DM在输出加LC滤波器时与AB类功放在FM收讯上，无差异。
JFR-300为透过I2C接口可实现所有FM手动或自动选台功能，并为立体声输出。JFR-300为立体声输出，搭配我公司TMPA430DS(16Wx2@15V， RL=4Ω)，在无需背负散热片和极少外围组件下，可实现立体声接收机功放。
图6为双面PCB LAYOUT图。
图7黄色线在板子天线端所量测到的接收讯号与接收台数，估算约25个左右。在实际操作过程中，利用MCU透过I2C接口与JFR-300，在手动调台下，分辨率可达100kHz，当调至在图中有电台的频率地址，皆可清晰的被解调出立体声传达至TMPA430DS输入端，达成。在应用中，TMPA430DS功放并不需要做金属材质的外壳屏蔽，一样能达到高瓦特数与高音质输出。
4 结语
由上述实验证实，我公司CLASS-D功放(TMPA2056DM与TMPA430DS)针对不同的FM接收音机组合，皆能达成一定的校果；但是PCB Layout、零件的摆设位置及被动组件的选择（LC滤波器）与应用需被完善的考虑。
Class-D功放（D类功放）衍生的目的在于改善及提升AB类功放(Class-AB)的特性，简述如下。
(1) 效能提升，可达>85%（传统的AB类功放效能仅为50%）。
(2) 降低散热片的倚赖性，甚至在低功率（20W以下）时可完全将散热片舍弃，因此商业用途的产品体积即可缩小，如：手机、PMP 等。
(3) D类功放的高效率效应除了节省电源件器的成本以外，亦可节省电源的浪费或电池的消耗，优化整个材料系统及使用环境。
2 D 类功放简介
简单说，Class-D功放内部电路的设计方式，是将原始的类比信号波形与比它更高频率的三角波（或锯齿波）进行电压比较（透过电压比较器）。如此便可将以振幅高低性表示的信号调变成以脉波宽窄性表示的信号，此即是脉宽调变（Pulse Width Modulation；PWM）。之后，将PWM 信号输出到MOSFET的闸极，以控制晶体管的导通、关闭（即：开关频率），同时也在这个阶段进行信号功率放大，最后MOSFET 的输出端接LC低通滤波电路，将PWM 的载波滤除，使原始信号波形重新呈现。
Class-D功放有与优点同时，存在的另一个问题是：EMI干扰。电磁干扰是由于Class-D功放之功率晶体管以开关方式操作，在高速开关及大电流状况下所产生。大多数的市场要求下此项EMI干扰必须通过FCC等电磁干扰的规范，解决的方案是使用LC滤波器或磁珠(bead)滤波器以过滤其高频谐波。在此规范下EMI成为D类功放进入的门坎之一，中高功率的D类功放因为EMI太强，目前采用LC滤波器来解决；小功率则用Bead处理即可，但通常还要配合PCB layout及零件的摆设位置。
3 D 类功放应用
目前为止，调频(FM)收音机在高传真音乐和语音广播中已经被采用好多年，它能提供极佳的音质、讯号稳定性和抗噪声能力。最近，FM收音机已开始出现在更多的行业和个人媒体播放器等市场应用中。为了电池续航能力，在后级功率放大器选用上与Class-D功放的结合是不可避免的趋势，但出现最主要的问题：EMI干扰。所以对抗EMI的干扰是一门重要的学问。坊间上FM的干扰解决方式采用金属材质的外壳屏蔽，以便衰减谐波辐射的干扰能量，进而使得FM接收正常。
我公司对Class-D功放与FM收音机结合一直在进行实验，此次选择坊间常用的CD9088CB和JFR-300（FM模块）做相关实验。
CD9088CB是一块单片调谐调频收音机电路，其外围电路简单，应用成本低，电路内中频频率为70kHz的锁相环系统选择性，由有源RC滤波器实现静音电路可抑制非中频信号和太弱的中频信号，其特点如下:
(1) 内含单声道收音机从射频输入到音频输出的所有电路功能电路；
(2) 静音电路；
(3) 内含自动频率控制系统，可用于机械调谐；
(4) 电源极性保护；
(5) 从88MHz至108MHz的频率范围内可实现自动搜索。
CD9088为单声道输出，搭配我公司TMPA2056DM (2.3W@5V， RL=4Ω)在极少周围组件下，可实现单声道收音机功率放大器。图1所示为单面PCB LAYOUT图。
图2为用SPECTRUM ANALYZER(Agilent N9320A)，单CD9088CB工作时，频率范围88MHz~108MHz，黄色线在板子天线端所量测到的接收讯号与接收台数，估算约20个左右。图3为当TMPA2056DM也工作时，但在TMPA2056DM输出不加LC滤波器条件下，绿色线几乎盖掉所有接收台数，此为严重的EMI干扰。图4为当TMPA2056DM输出加LC滤波器时，绿色线是在板子天线端所量测到的接收讯号与接收台数，可发现与黄色线重迭，无干扰整个接收讯号与接收台数。图3与图4是在自动调台时，感应CD9088CB中周频率，皆有清晰的声音出现，显示TMPA2056DM工作时，并无干扰。在自动调台过程中，可收到台数约12个。另外当CD9088CB搭TDA2822（AB类功放）时，在自动调台过程中，可收到台数亦约12个。比较可见，TMPA2056DM在输出加LC滤波器时与AB类功放在FM收讯上，无差异。
JFR-300为透过I2C接口可实现所有FM手动或自动选台功能，并为立体声输出。JFR-300为立体声输出，搭配我公司TMPA430DS(16Wx2@15V， RL=4Ω)，在无需背负散热片和极少外围组件下，可实现立体声接收机功放。
图6为双面PCB LAYOUT图。
图7黄色线在板子天线端所量测到的接收讯号与接收台数，估算约25个左右。在实际操作过程中，利用MCU透过I2C接口与JFR-300，在手动调台下，分辨率可达100kHz，当调至在图中有电台的频率地址，皆可清晰的被解调出立体声传达至TMPA430DS输入端，达成。在应用中，TMPA430DS功放并不需要做金属材质的外壳屏蔽，一样能达到高瓦特数与高音质输出。
4 结语
由上述实验证实，我公司CLASS-D功放(TMPA2056DM与TMPA430DS)针对不同的FM接收音机组合，皆能达成一定的校果；但是PCB Layout、零件的摆设位置及被动组件的选择（LC滤波器）与应用需被完善的考虑。
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