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D类音频放大器的输出低通滤波器设计 2011-08-10 13:15:03| 分类： 默认分类 | 标签：数字 音频 |字号 订阅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 D 类音频放大器 LM4668 和 LM4680 为例,描述了具体的输出滤波器的设计方法,并介绍了即将推出的 LM4681 的电路框图和特性一直以来,电子系统中的音频信号都是用模拟电信号来表示的尽管数字处理和数字放大技术在当今的系统中已经得到了运用,但是音频/ 声音信号还是必须转换回模拟信号,以满足人的听觉系统收听音乐的需要图 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 类放大器基于使用高开关频率信号的数字调制技术,旨在实现信号的高效放大调制频率通常高达数百 kHz,这远远超出了音频范围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)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)滤波器这是因为巴特沃斯滤波器能够提供相对平坦的通带频率响应, 而且所需的元件数量很少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)。

电感和电容值的计算：二阶 Butterworth 滤波器的通用转移函数为：用？？、来替代电感和电容,代入 S 域转移函数变成：用来简化这些方程,得出：　　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：　　LC 滤波器的 3dB 截止频率为：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著称,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 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°但是现实中 ,电容总会呈现出一定程度的 ESR7503HY-270M)电感的封装尺寸品质因数 Q 是一个无量纲值,它等于电容的电抗与电容的寄生电阻(ESR)两者相除所得的商由于电抗和电阻均会随频率而改变,因此,Q 值将随频率的改变而发生巨大的变化电容的电抗会随着频率或电容值的变化而出现极大的波动,因此会造成 Q 发生显著的变化　　金属薄膜电容能够保持较高的温度、频率和电压稳定性。

在常见的音频系统中,强烈建议以金属薄膜电容来替代陶瓷电容与此同时 ,在使用电容时,另一个被称为“ 额定电压” 的参数也是必须加以考虑的, 以确保电容在其有效使用期内无故障预期额定电压：电容的额定电压由下式计算：为了从放大器获得更加优良的输出信号和总体性能,输出滤波设计毫无疑问是一个至关重要的因素,不过,电源滤波也会是一个值得关注的重要问题D 类放大器中的电源滤波有 2 个目的1. 使 D 类放大器与电源噪声隔离2. 对高频噪声进行旁路处理在 D 类放大器设备中, 至少包含两组电源,即模拟输入及控制(AVDD)和输出晶体管驱动(PVDD)　　图 7：LM4681 内部电路框图为了实现去耦电容,我们必须考虑峰值开关电流,以获得一个最小电容针对峰值开关电流的最小有效电容可由下式计算：式中：为周期,DMAX 为最大占空比,VRIPPLE 为纹波电压ESR 在大多数场合中都会引起纹波电压由 ESR 和 IPEAK 产生的最大 VRIPPLE 为：由上式我们注意到：ESR 将会对电容器的有效电容产生影响建议并联两个或更多的电容,以减小针对不同频率范围的 ESR通常采用两种不同类型的电容,一般是把具有较高电容值的电解电容或钽电容用于低频滤波器 (小于10kHz),而将一个并联的小容值陶瓷电容用于高频滤波(＞300kHz)。

对于 D 类音频放大器,“美国国家半导体”推出了 10W 单声道 D 类产品LM4668 和 LM4680这些产品只需要少量外部元件, 为工程师带来了音频产品的简易而完善的解决方案LM4668 和 LM4680 采用平衡、浮动调制器设计来免除衬底噪声平衡调制器的 PWM 输出用于驱动 LM4668 或 LM4680 的 H 桥配置输出功率 MOSFET 的栅极脉冲序列将被加至一个输出 LC 滤波器, 以消除不需要的高频信号LM4668 和 LM4680 的调制器的标称开关频率约为450kHz　　下面给出的是 LM4680 的应用框图( 见图 5),其 LC 输出滤波器的取值已确定( 表 2)推导出的元件与截止频率(Fc)的关系式为：滤波器的两个电感的数值等于： 三个电容的数值均等于：建议把具有上述特定参数值的二阶 LC 输出滤波器用于 LM4680 的输出滤波( 对于一个 8Ω 负载 );可以获得 47kHz 的标称截止频率它确保 20kHz 时的衰减远小于 3dB表1：表中列出了对应于特定 fc 和 RL 的电感值和电容值关于电感的建议当把负载驱动至最大功耗时,输出滤波器电感必须具有一个高于放大器的最大输出电流的最大额定电流。

所以,当向 8Ω 负载输送 10W 输出功率时, 最大输出电流可能在 1.1A(RMS)左右,因此电感的额定电流至少应为 1.2A(RMS),以防止电感发生任何的饱和现象建议采用屏蔽式电感器,以便更好地抑制EMI例如 TOKO(A7503HY-270M)电感(见图 6)LM4668 和 LM4680 可在各类应用中使用,包括 LCD 显示器、电视、电脑声卡、多媒体扬声器和广播系统等这两款器件均能够向 8Ω 负载提供 6W BTL 输出功率 (0.2% THD),也可向 8Ω 负载输送 10W 输出功率(小于 10% THD)LM4668 和 LM4680 提供了短路保护、热保护、过调制保护等功能因此 ,它们是在您的系统中实现高品质和高稳定性 D 类音频放大器的理想器件LM4668 提供 TSSOP-20 和 LLP-14 封装,LM4680 提供 LLP-14 封装表 2：LM4680 的 LC 输出滤波器的取值基于相同 D 类算法的 BTL 输出 10WD 类立体声器件 LM4681 即将面市除了可驱动 8Ω 负载的 10W 立体声通道之外,LM4681 还提供了立体声耳机驱动器以及用于停机和 32 级音量控制的 I2C/SPI 可选控制接口。

它拥有面向众多应用的丰富功能LM4681 的内部电路框图如图 7 所示由于 I2C 和 SPI 控制接口在不同类型的系统中均得到了十分广泛的运用,因此,它将为工程师在系统硬件上进行设计提供了便利,并能够以较少的外部元件来构建系统LM4681 能够向 8Ω 负载输送每通道 10W 的输出功率(小于10% THD),也可向 32Ω 耳机提供每通道 80mW 的输出功率(＜0.5% THD)当驱动扬声器时,音量控制范围为+30dB 至-48dB;当驱动耳机时,音量控制范围为+13dB 至-65dB该器件提供 LLP-48 封装本文小结在这个数字化世界里,许多系统和产品都已经数字化了 ,D 类放大器就是基于这种原理的常用音频放大技术它能够提供较高的效率,因而适合于实现更加纤巧的外观设计并节省更多的功率在这一最新的电子产品领域,美国国家半导体的 D 类音频放大器能够完美地为众多应用中的系统提供高品质和高稳定性。