D類音頻放大器的輸出低通濾波器設計

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。
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圖1：單片D類音頻放大器的組成。
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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，開關模式(D類)音頻功率放大器的應用已很普遍。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頻率信號的數(shù)字調(diào)制技術，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輸出低通濾波設計的考慮因素和建議。

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圖2：BTL半電路模型。
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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)。 輸出濾波器設計：由于我們需要恢復所需的音頻信號，因此重要的是設計出一款優(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，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(圖3)。電感和電容值的計算