D類音頻放大器的輸出低通濾波器設(shè)計

在便攜式及小型化消費類產(chǎn)品中，d類音頻功率放大器的應(yīng)用已非常普遍。本文介紹了d類音頻放大器的輸出低通濾波器的設(shè)計原理，給出了濾波器中電感和電容值的計算方法和選擇時的考慮因素。本文還以美國國家半導(dǎo)體的d類音頻放大器lm4668和lm4680為例，描述了具體的輸出濾波器的設(shè)計方法，并介紹了即將推出的lm4681的電路框圖和特性。

一直以來，電子系統(tǒng)中的音頻信號都是用模擬電信號來表示的。盡管數(shù)字處理和數(shù)字放大技術(shù)在當今的系統(tǒng)中已經(jīng)得到了運用，但是音頻/聲音信號還是必須轉(zhuǎn)換回模擬信號，以滿足人的聽覺系統(tǒng)收聽音樂的需要。

目前，在大多數(shù)便攜式及小型化消費類產(chǎn)品，如mp3、便攜式dvd和平板顯示器等中，開關(guān)模式(d類)音頻功率放大器的應(yīng)用已很普遍。由于d類放大器的功耗較低，因此能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率。它延長了便攜式設(shè)備的電池使用壽命，并能夠減小散熱器的尺寸和pcb的面積，從而節(jié)省了系統(tǒng)成本。所以，許多大型平板顯示器和消費類音頻產(chǎn)品都更愿意采用此類放大器。

不過，d類放大器基于使用高開關(guān)頻率信號的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，旨在實現(xiàn)信號的高效放大。調(diào)制頻率通常高達數(shù)百khz，這遠遠超出了音頻范圍。

由于我們需要從數(shù)字化或調(diào)制信號來恢復(fù)所需的真實音頻信號(音樂)，因而必需采用一個輸出低通濾波器來濾除高頻分量，以再生與人類聽覺系統(tǒng)相匹配的真實模擬信號。

這里，我們將闡述一些有關(guān)輸出低通濾波設(shè)計的考慮因素和建議。

d類放大器：單片式d類音頻放大器包括模擬音頻輸入、調(diào)制器、功率晶體管等(見圖1)。

輸出濾波器設(shè)計：由于我們需要恢復(fù)所需的音頻信號，因此重要的是設(shè)計出一款優(yōu)秀的輸出低通濾波器，以濾除高頻分量(無用信號)并獲得高品質(zhì)的模擬聲音。我們必須設(shè)計具有特定電抗性輸出阻抗的輸出濾波器，以便與負載阻抗相匹配。btl半邊電路模型如圖2所示。

d類放大器的輸出濾波器通常是一個二階、lc型butterworth(巴特沃斯)濾波器。這是因為巴特沃斯濾波器能夠提供相對平坦的通帶頻率響應(yīng)，而且所需的元件數(shù)量很少。這里給出一幅參考曲線圖，用于顯示巴特沃斯、bessel(貝塞爾)和chebyshev(切比雪夫)型濾波器的lpf響應(yīng)(圖3)。

對于一個實際的btl電路，輸出濾波器如圖4所示。

推導(dǎo)出的btl濾波器方程為：

根據(jù)上面的方程，表1列出了對應(yīng)于特定fc和rl的電感(l)值和電容(c)值。

電感的選擇：在輸出濾波器中，電感是關(guān)鍵元件。它與d類音頻功率放大器系統(tǒng)的直流電阻和額定峰值電流規(guī)格有關(guān)。直流電阻反映了總輸出功率的效率。系統(tǒng)的效率可由下式來估算：

式中：rl是揚聲器的直流電阻，rdson是d類放大器內(nèi)部的輸出驅(qū)動器的晶體管導(dǎo)通電阻；rind是電感的直流電阻。

除了選擇合適的電感值以獲得某一特定的截止頻率之外，輸出電感的最大直流電阻是影響總體效率的另一個關(guān)鍵參數(shù)。因此，強烈建議采用直流電阻較低的電感。

對于電感而言，另一個必須考慮的重要參數(shù)是其最大額定電流。如果電感的額定電流不足以維持器件的輸出電流，則電感將起短路的作用。這將使器件或揚聲器受到大電流的傷害。

最后值得一提的是，為了降低失真、emi和串擾，建議采用屏蔽式電感(例如：壺形鐵芯電感)。

壺形鐵芯以其卓越的屏蔽性能而著稱，這是因為除了用于穿越導(dǎo)線的兩個窄槽之外，電感線圈被磁芯完全包圍。
電容的選擇：在評價高頻片式電容的過程中，最重要的參數(shù)之一便是q(品質(zhì)因數(shù))，或者相關(guān)的等效串聯(lián)電阻(esr)。

簡單地說，esr就是給定頻率條件下電容中的所有串聯(lián)和并聯(lián)損耗的衡量尺度。從理論上講，“理想”電容的esr將為0ω，并且是純電抗性的，沒有實部(阻性)分量。流經(jīng)電容的電流在所有的頻率上都將恰好超前電容兩端的電壓達90°。但是現(xiàn)實中，電容總會呈現(xiàn)出一定程度的esr。

品質(zhì)因數(shù)q是一個無量綱值，它等于電容的電抗與電容的寄生電阻(esr)兩者相除所得的商。

由于電抗和電阻均會隨頻率而改變，因此，q值將隨頻率的改變而發(fā)生巨大的變化。電容的電抗會隨著頻率或電容值的變化而出現(xiàn)極大的波動，因此會造成q發(fā)生顯著的變化。

額定電壓：電容的額定電壓由下式計算：

為了從放大器獲得更加優(yōu)良的輸出信號和總體性能，輸出濾波設(shè)計毫無疑問是一個至關(guān)重要的因素，不過，電源濾波也會是一個值得關(guān)注的重要問題。

　　d類放大器中的電源濾波有2個目的。

　　1. 使d類放大器與電源噪聲隔離。

　　2. 對高頻噪聲進行旁路處理。在d類放大器設(shè)備中，至少包含兩組電源，即模擬輸入及控制(avdd)和輸出晶體管驅(qū)動(pvdd)。

為了實現(xiàn)去耦電容，我們必須考慮峰值開關(guān)電流，以獲得一個最小電容。針對峰值開關(guān)電流的最小有效電容可由下式計算：

式中：為周期，dmax為最大占空比，vripple為紋波電壓。

esr在大多數(shù)場合中都會引起紋波電壓。由esr和ipeak產(chǎn)生的最大vripple為：