一種基于D類音頻放大器的輸出濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　在便攜式及小型化消費(fèi)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(jì)原理，給出了濾波器中電感和電容值的計(jì)算方法和選擇時(shí)的考慮因素。本文還以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的。

　　圖1：?jiǎn)纹珼類音頻放大器的組成。

　　目前，在大多數(shù)便攜式及小型化消費(fèi)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(zhǎng)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(fèi)類音頻產(chǎn)品都更愿意采用此類放大器。

　　不過，D類放大器，是通過控制開關(guān)單元的ON/OFF，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的放大器。D類放大器首次提出于1958年，近些年已逐漸流行起來。D類放大器在過去的幾代產(chǎn)品中，已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者極大地改善了系統(tǒng)的耐用性，并提高了其音頻質(zhì)量。

　　在D類調(diào)制器中，通過將音頻信號(hào)與高頻固定頻率信號(hào)比較，并將結(jié)果在固定頻率的載波上調(diào)制，數(shù)字音頻信號(hào)被轉(zhuǎn)換成了PWM信號(hào)。形成的信號(hào)是可變脈寬的固定載波頻率（通常在幾百kHz），然后由高壓功率MOSFET對(duì)這些PWM信號(hào)進(jìn)行放大，放 大后的PWM信號(hào)再通過低通濾波器去掉載頻，恢復(fù)出原始基帶音頻信號(hào)。

　　雖然這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很有效，但它也導(dǎo)致一些不希望的后果，如大量的輻射EMI。由于調(diào)制器采用固定頻率載波，因此將產(chǎn)生基載波的多次諧波輻射。而且，由于PWM信號(hào)自身的開關(guān)特性，過沖/下沖和振鈴將產(chǎn)生固定比率的高頻（10～100MHz的范圍）輻射EMI。為了壓制輻射EMI，最新一代PWM調(diào)制器發(fā)展的趨勢(shì)是采用擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)。

　　擴(kuò)展頻譜調(diào)制技術(shù)用于在更大的帶寬內(nèi)擴(kuò)展開關(guān)PWM信號(hào)的頻譜能量，而不改變?cè)家纛l的內(nèi)容。一個(gè)改進(jìn)傳統(tǒng)調(diào)制器高輻射EMI的有效方法是改變PWM開關(guān)信號(hào)的兩個(gè)邊沿，如圖1所示。信號(hào)以載波頻率為中心，但任何一個(gè)邊沿都不是按周期重復(fù)的。這不僅維持了固定載波頻率，而且由于邊沿不是以固定比率跳變的，載波頻率上的輻射能量就得到了極大的降低。

　　由于我們需要從數(shù)字化或調(diào)制信號(hào)來恢復(fù)所需的真實(shí)音頻信號(hào)（音樂），因而必需采用一個(gè)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(shí)模擬信號(hào)。

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

　　圖2：BTL半電路模型。

　　D類放大器：?jiǎn)纹?strong>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）。[!--empirenews.page--]

　　輸出濾波器設(shè)計(jì)：由于我們需要恢復(fù)所需的音頻信號(hào)，因此重要的是設(shè)計(jì)出一款優(yōu)秀的輸出低通濾波器，以濾除高頻分量（無(wú)用信號(hào)）并獲得高品質(zhì)的模擬聲音。我們必須設(shè)計(jì)具有特定電抗性輸出阻抗的輸出濾波器，以便與負(fù)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(gè)二階、LC型Butterworth（巴特沃斯）濾波器。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）。

　　圖3：巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫型濾波器的低通濾波響應(yīng)的比較。[!--empirenews.page--]

　　對(duì)于一個(gè)實(shí)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(duì)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(yáng)聲器的直流電阻，RDSON是D類放大器內(nèi)部的輸出驅(qū)動(dòng)器的晶體管導(dǎo)通電阻;RIND是電感的直流電阻。

　　圖4：實(shí)際的BTL電路輸出濾波器。[!--empirenews.page--]

　　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(gè)關(guān)鍵參數(shù)。因此，強(qiáng)烈建議采用直流電阻較低的電感。

　　對(duì)于電感而言，另一個(gè)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(yáng)聲器受到大電流的傷害。

　　圖5：LM4680的應(yīng)用框圖（LC輸出濾波器的取值確定）。

　　最后值得一提的是，為了降低失真、EMI和串?dāng)_，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?yàn)槌擞糜诖┰綄?dǎo)線的兩個(gè)窄槽之外，電感線圈被磁芯完全包圍。歡迎轉(zhuǎn)載，本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)

　　電容的選擇：在評(píng)價(jià)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(jiǎn)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(shí)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(dá)90。