数字功放中的低通滤波器.pdf

数字功放中的低通滤波器 1概述 采用开关放大技术的数字功放工作原理与模拟功放完全不同其开关功率级输出的高频PWM信号中包含有音频信号PWM频率为几百kHz比音频信号带宽20~20kHz大得多为了从PWM开关信号中恢复出音频信号通常采用低通滤波器LPF低通滤波器频率特性如图1所示 图2与图3为PWM滤波前后的时域与频域分析从图中可以看出PWM经过低通滤波器后高频分量大大减小音频信号得到恢复但总会残留部分高频开关成分 根据组成低通滤波器的元件与结构不同低通滤波效果与应用方面不尽相同图4所示为数字功放中低通滤波器可能出现的位置及作用低通滤波器按照组成元件通常可分为LCRC型RC又可分为无源与有源型低通滤波器的比较如表1所示 表1 类型 等效内阻 输出功率 使用场合 LC 小 大 功率输出 无源RC 大 微小 反馈测试 有源RC 输入大输出小 小 反馈测试 LPF LPF 图1低通滤波器频率特性 图2 PWM滤波前后的时域波形 图3 PWM滤波前后的频谱分布 反馈 LPF 功率 LPF 测试 LPF 至前级 至负载 至测试仪 图4 数字功放中低通滤波器位置及作用 2 LC低通滤波器 LC低通滤波器用在功率输出组成元件为电感L与电容C数字功放功率输出常采用的LC低通滤波器可分为二阶一级四阶二级低通滤波器结构如图5图6所示四阶低通滤波器由两个二阶低通滤波器串联组成二阶与四阶LC低通滤波器性能比较如表2所示 表2 二阶LC低通滤波器 四阶LC低通滤波功率损耗 低 高 频响vs阻抗变化2~8 +/-3dB +/-6dB 成本 低 高 THD+N 差别很小 EMI 大 小 以二阶LC低通滤波器为例其拉普拉斯变换为 22)(ϖϖ QCSCQCSQSSH++= LC1=ϖ ϖCRQL= 在LC低通滤波器中负载电阻RL是影响Q值的一个变量负载电阻的变化将影响频率响应曲线图7所示为负载电阻为4欧姆所设计的LC参数频响曲线平坦对于8欧姆与2欧姆负载在20kHz处的幅度分别有2db的抬升与-4dB的下降 2 RC低通滤波器 2 1 无源RC低通滤波器 无源RC低通滤波器的组成元件为电阻R与电容C结构如图8所示为一阶系统由图5 二阶一级低通滤波器 图6 四阶二级低通滤波器 图7 不同负载时LC低通滤波器频率响应 图8 无源RC低通滤波器 PWM输入 输出 于电阻R与频率变化无关RC低通滤波器比LC低通滤波器在设计与器件选材方面要简单但不适合于大功率输出仅可作为弱信号处理与微小功率应用与LC低通滤波器一样RC低通滤波也可以进行级联组成多阶级系统 对于无源RC滤波器其滤波效果受前后级阻抗的影响很大与RC低通滤波器自身阻抗相比前级的输出阻抗要足够小后级的输入阻抗要足够大才能满足滤波要求为了得到良好的滤波效果可以采用有源RC低通滤波器 2 2 有源RC低通滤波器 有源RC低通滤波器组成元件为电阻R电容C与放大器二阶有源RC低通滤波器典型结构如图9所示由于采用放大器具有高输入阻抗与低阻抗输出特性有源RC低通滤波器也可以进行级联组成多阶系统 2 3测试用低通滤波器 根据音频工程师协会AES发布的AES17-1998中关于数字音频设备测试的描述 4.2.1.1 For the upper band-edge frequency of 20 kHz, the standard low-pass filter shall have the following characteristics: a) passband response deviation: ±0.1 dB, 10 Hz f 20 kHz; b) stop-band attenuation: > 60 dB, f > 24 kHz. 功率输出的LC低通滤波器与模拟音频测试设备的滤波器指标不能满足上述要求模拟功放的测试方法与设备不能完全适合数字功率放大器的测量特别是谐波失真与信噪等性能指标的测量为了满足数字功放的测量必须在数字功放与音频分析仪之间插入专用的低通滤波器如Audio Precision公司的AUX-0025滤波适配器满足AES17-1998要求的低通滤波器原理与结构见图10衰减网络的作用是将数字功放输出的高电压降低为较低电压三个二阶低通滤波器串联组成满足数字音频测试所需要的低通滤波器测试用低通滤波器的输入端可以接数字功放的LC滤波器输出也可以直接接数字功放开关功率级输出的PWM信号后一种测试连接可以消除LC滤波器产生的失真能得到更好的测试指标测试用低通滤波器的输出接传统的模拟音频测试仪 天津开发区迪奥特数字技术开发有限公司 二阶低通 二阶低通 二阶低通 衰减 网络 输入 输出 图9 有源RC低通滤波器 PWM输入 输出 图10 满足AES17-1998要求的低通滤波器 。