D类音频放大器的输出低通滤波器设计

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ESR。

图6：TOKO(A7503HY-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。