一种基于D类音频放大器的输出滤波器的设计与实现

　在便携式及小型化消费类产品中，D类音频功率放大器的应用已非常普遍。本文介绍了D类音频放大器的输出低通滤波器的设计原理，给出了滤波器中电感和电容值的计算方法和选择时的考虑因素。本文还以美国国家半导体的。

　　图1：单片D类音频放大器的组成。

　　目前，在大多数便携式及小型化消费类产品，如MP3、便携式DVD和平板显示器等中，开关模式（D类）音频功率放大器的应用已很普遍。由于D类放大器的功耗较低，因此能够实现较高的效率。它延长了便携式设备的电池使用寿命，并能够减小散热器的尺寸和PCB的面积，从而节省了系统成本。所以，许多大型平板显示器和消费类音频产品都更愿意采用此类放大器。

　　不过，D类放大器，是通过控制开关单元的ON/OFF，驱动扬声器的放大器。D类放大器首次提出于1958年，近些年已逐渐流行起来。D类放大器在过去的几代产品中，已经得到了巨大的发展，系统设计者极大地改善了系统的耐用性，并提高了其音频质量。

　　在D类调制器中，通过将音频信号与高频固定频率信号比较，并将结果在固定频率的载波上调制，数字音频信号被转换成了PWM信号。形成的信号是可变脉宽的固定载波频率（通常在几百kHz），然后由高压功率MOSFET对这些PWM信号进行放大，放 大后的PWM信号再通过低通滤波器去掉载频，恢复出原始基带音频信号。

　　虽然这种拓扑结构很有效，但它也导致一些不希望的后果，如大量的辐射EMI。由于调制器采用固定频率载波，因此将产生基载波的多次谐波辐射。而且，由于PWM信号自身的开关特性，过冲/下冲和振铃将产生固定比率的高频（10～100MHz的范围）辐射EMI。为了压制辐射EMI，最新一代PWM调制器发展的趋势是采用扩展频谱调制技术。

　　扩展频谱调制技术用于在更大的带宽内扩展开关PWM信号的频谱能量，而不改变原始音频的内容。一个改进传统调制器高辐射EMI的有效方法是改变PWM开关信号的两个边沿，如图1所示。信号以载波频率为中心，但任何一个边沿都不是按周期重复的。这不仅维持了固定载波频率，而且由于边沿不是以固定比率跳变的，载波频率上的辐射能量就得到了极大的降低。

　　由于我们需要从数字化或调制信号来恢复所需的真实音频信号（音乐），因而必需采用一个输出低通滤波器来滤除高频分量，以再生与人类听觉系统相匹配的真实模拟信号。

　　这里，我们将阐述一些有关输出低通滤波设计的考虑因素和建议。

　　图2：BTL半电路模型。

　　D类放大器：单片式D类音频放大器包括模拟音频输入、调制器、功率晶体管等（见图1）。[!--empirenews.page--]

　　输出滤波器设计：由于我们需要恢复所需的音频信号，因此重要的是设计出一款优秀的输出低通滤波器，以滤除高频分量（无用信号）并获得高品质的模拟声音。我们必须设计具有特定电抗性输出阻抗的输出滤波器，以便与负载阻抗相匹配。BTL半边电路模型如图2所示。

　　D类放大器的输出滤波器通常是一个二阶、LC型Butterworth（巴特沃斯）滤波器。这里给出一幅参考曲线图，用于显示巴特沃斯、Bessel（贝塞尔）和chebyshev（切比雪夫）型滤波器的LPF响应（图3）。

 

 

　　图3：巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫型滤波器的低通滤波响应的比较。[!--empirenews.page--]

　　对于一个实际的BTL电路，输出滤波器如图4所示。

　　推导出的BTL滤波器方程为：

　　根据上面的方程，表1列出了对应于特定fc和RL的电感（L）值和电容（C）值。

　　电感的选择：在输出滤波器中，电感是关键元件。它与D类音频功率放大器系统的直流电阻和额定峰值电流规格有关。直流电阻反映了总输出功率的效率。系统的效率可由下式来估算：

　　

 

 

　　式中：RL是扬声器的直流电阻，RDSON是D类放大器内部的输出驱动器的晶体管导通电阻;RIND是电感的直流电阻。

 

 

　　图4：实际的BTL电路输出滤波器。[!--empirenews.page--]

　　除了选择合适的电感值以获得某一特定的截止频率之外，输出电感的最大直流电阻是影响总体效率的另一个关键参数。因此，强烈建议采用直流电阻较低的电感。

　　对于电感而言，另一个必须考虑的重要参数是其最大额定电流。如果电感的额定电流不足以维持器件的输出电流，则电感将起短路的作用。这将使器件或扬声器受到大电流的伤害。

　　图5：LM4680的应用框图（LC输出滤波器的取值确定）。

　　最后值得一提的是，为了降低失真、EMI和串扰，建议采用屏蔽式电感（例如：壶形铁芯电感）。

　　壶形铁芯以其卓越的屏蔽性能而着称，这是因为除了用于穿越导线的两个窄槽之外，电感线圈被磁芯完全包围。欢迎转载，本文来自电子发烧友网

　　电容的选择：在评价高频片式电容的过程中，最重要的参数之一便是Q（品质因数），或者相关的等效串联电阻（ESR）。

　　简单地说，ESR就是给定频率条件下电容中的所有串联和并联损耗的衡量尺度。从理论上讲，“理想”电容的ESR将为0Ω，并且是纯电抗性的，没有实部（阻性）分量。流经电容的电流在所有的频率上都将恰好超前电容两端的电压达90。