Użytkowanie coraz większej ilości urządzeń bateryjnych, takich jak smartfonów, tabletów czy przenośnych zestawów głośnikowych, przez konsumentów sprzętu elektronicznego powoli zwiększa zapotrzebowanie na wydajne wzmacniacze mocy audio. Wzmacniacze wysokiej efektywności wymagane są w tych układach, aby móc osiągnąć znaczny czas życia baterii przy jednoczesnym zwiększeniu mocy wzmacniacza. Nie należy zapominać także iż zminimalizowany powinien poziom zakłóceń EMI. Wzmacniacze cyfrowe, tj. pracujące w klasie D, osiągają sprawność do 90%, w porównaniu do maksymalnie 50% sprawności wzmacniaczy AB. Zwiększenie sprawności pozwala projektantom tworzyć układy dłużej pracujące na baterii i generujące mniej ciepłą. Niestety zwiększona sprawność okupiona jest zwiększonym poziomem zakłóceń elektromagnetycznych EMI generowanych przez taki układ.
Wzmacniacz klasy D produkuje zakłócenia EMI z samej istoty swojej topologii, o czym każdy projektant musi pamiętać. Zakłócenia EMI propagują przez 'eter' i zwiększają się wraz z siłą sygnału, dodając się do generowanych przez układ zakłóceń i szumu. Poziom tych zakłóceń jest silnie normowany, np. przez amerykańskie biuro FCC, które ustala standardy emisji EMI dla urządzeń - podobnie analogiczne urzędy w innych krajach. Żeby było jeszcze trudniej, urządzenia w których projektanci chcą minimalizować zakłócenia EMI ulegają coraz większej miniaturyzacji, a zmniejszona objętość urządzenia prowadzi do problemów z redukcją EMI filtrami itp. które zajmują cenną przestrzeń w obudowie urządzenia.
Aby zrozumieć jak zakłócenia EMI są generowane w wzmacniaczach klasy D przypatrzmy się poniższemu schematowi wzmacniacza tej klasy. Składa się on z trzech podstawowych modułów - modulatora, który moduluje sygnałem audio wysokoczęstotliwościowy przebieg trójkątny, końcówki mocy wraz z driverem tranzystorów MOSFET oraz z filtrów wyjściowych.
Wyjście z końcówki mocy jest naturalnie sformowanym przebiegiem PWM, którego wypełnienie koresponduje z chwilową amplitudą sygnału audio. Filtr wyjściowy jest naturalną częścią głośnika, który jest cewką. Filtr ten naturalnie odcina składową wysokiej częstotliwości i przenosi, w postaci dźwięku, składową niskiej częstotliwości. Dzięki pracy w takim trybie, tranzystory non-stop się przełączają, a układ traci znacznie mniej na straty niż konwencjonalny wzmacniacz audio. Więcej szczegółów na temat wzmacniaczy klasy D zawarte jest w nocie aplikacyjnej numer 3977, "Class D Amplifiers: Fundamentals of Operation and Recent Developments".
Źródłem zakłóceń EMI w takim układzie są szybko narastające zbocza przebiegu prostokątnego sterujące tranzystorami MOSFET. Firma Maxim w swojej nocie aplikacyjnej numer 3973 "Maxim's Active-Emissions-Limiting Circuitry Demystified" proponuje aktywny układ ograniczania emisji EMI poprzez ograniczanie szybkości narastania zbocza sygnału PWM. Pokazane jest to, modelowo, na poniższym przebiegu.
Dzięki takiemu podejściu znacznie zredukowane zostają zakłócenia EMI, generowane przez układ. Jednakże zwykłe limitowanie szybkości narastania tego przebiegu spowodowałoby spadek efektywności wzmacniacza, poprzez zwiększenie strat przełączania. Układ który proponuje firma Maxim, zawarty w ich wzmacniaczy klasy D - MAX9705 - wyposażony jest w inteligentny limiter, który zmienia czas narastania w zależności od warunków pracy układu. W ten sposób zakłócenia EMI zostają wyraźnie zredukowane bez utraty wydajności. Obrazuje to poniższe zestawienie.
Źródła:
http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/5342
Cool? Ranking DIY
