D類音頻放大器的輸出低通濾波器設(shè)計(jì)

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(jì)方法，并介紹了即將推出的lm4681的電路框圖和特性。

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

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(guò)，d類放大器基于使用高開關(guān)頻率信號(hào)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效放大。調(diào)制頻率通常高達(dá)數(shù)百khz，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了音頻范圍。

由于我們需要從數(shù)字化或調(diào)制信號(hào)來(lái)恢復(fù)所需的真實(shí)音頻信號(hào)(音樂(lè))，因而必需采用一個(gè)輸出低通濾波器來(lái)濾除高頻分量，以再生與人類聽覺(jué)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。

d類放大器：?jiǎn)纹絛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(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。這是因?yàn)榘吞匚炙篂V波器能夠提供相對(duì)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(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(lái)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。

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。

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。
電容的選擇：在評(píng)價(jià)高頻片式電容的過(guò)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(shuō)，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(méi)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°。但是現(xiàn)實(shí)中，電容總會(huì)呈現(xiàn)出一定程度的esr。

品質(zhì)因數(shù)q是一個(gè)無(wú)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(huì)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(huì)隨著頻率或電容值的變化而出現(xiàn)極大的波動(dòng)，因此會(huì)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(jì)算：

為了從放大器獲得更加優(yōu)良的輸出信號(hào)和總體性能，輸出濾波設(shè)計(jì)毫無(wú)疑問(wèn)是一個(gè)至關(guān)重要的因素，不過(guò)，電源濾波也會(huì)是一個(gè)值得關(guān)注的重要問(wèn)題。

　　d類放大器中的電源濾波有2個(gè)目的。

　　1. 使d類放大器與電源噪聲隔離。

　　2. 對(duì)高頻噪聲進(jìn)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(dòng)(pvdd)。

為了實(shí)現(xiàn)去耦電容，我們必須考慮峰值開關(guān)電流，以獲得一個(gè)最小電容。針對(duì)峰值開關(guān)電流的最小有效電容可由下式計(jì)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(chǎng)合中都會(huì)引起紋波電壓。由esr和ipeak產(chǎn)生的最大vripple為：