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

圖1：單片D類音頻放大器的組成。

目前，在大多數便攜式及小型化消費類產品，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，因此能夠實現較高的效率。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)省了系統成本。所以，許多大型平板顯示器和消費類音頻產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字調制技術，旨在實現信號的高效放大。調制頻率通常高達數百kHz，這遠遠超出了音頻范圍。

由于我們需要從數字化或調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。

圖2：BTL半電路模型。

D類放大器：單片式D類音頻放大器包括模擬音頻輸入、調制器、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)。

圖3：巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫型濾波器的低通濾波響應的比較。

對于一個實際的BTL電路，輸出濾波器如圖4所示。

推導出的BTL濾波器方程為：

根據上面的方程，表1列出了對應于特定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，電感是關鍵元件。它與D類音頻功率放大器系統的直流電阻和額定峰值電流規(guī)格有關。直流電阻反映了總輸出功率的效率。系統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類放大器內部的輸出驅動器的晶體管導通電阻；RIND是電感的直流電阻。

圖4：實際的BTL電路輸出濾波器。

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鍵參數。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。

圖5：LM4680的應用框圖(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，最重要的參數之一便是Q(品質因數)，或者相關的等效串聯電阻(ESR)。

簡單地說，ESR就是給定頻率條件下電容中的所有串聯和并聯損耗的衡量尺度。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