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。

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。

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)。

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。

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。

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°。但是現實中，電容總會呈現出一定程度的esr。

品質因數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極大的波動，因此會造成q發生顯著的變化。

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良的輸出信號和總體性能，輸出濾波設計毫無疑問是一個至關重要的因素，不過，電源濾波也會是一個值得關注的重要問題。

　　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)和輸出晶體管驅動(pvdd)。

為了實現去耦電容，我們必須考慮峰值開關電流，以獲得一個最小電容。針對峰值開關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在大多數場合中都會引起紋波電壓。由esr和ipeak產生的最大vripple為：