一種基于D類音頻放大器的輸出濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)

時間：2011-07-12 12:43:01

關(guān)鍵字：輸出濾波器 D類音頻放大器 BSP D類放大器

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[導(dǎo)讀]　在便攜式及小型化消費類產(chǎn)品中，D類音頻功率放大器的應(yīng)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(shè)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(dǎo)體的。

　在便攜式及小型化消費類產(chǎn)品中，D類音頻功率放大器的應(yīng)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(shè)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(dǎo)體的。

　　圖1：單片D類音頻放大器的組成。

　　目前，在大多數(shù)便攜式及小型化消費類產(chǎn)品，如MP3、便攜式DVD和平板顯示器等中，開關(guān)模式（D類）音頻功率放大器的應(yīng)用已很普遍。由于D類放大器的功耗較低，因此能夠?qū)崿F(xiàn)較高的效率。它延長了便攜式設(shè)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(jié)省了系統(tǒng)成本。所以，許多大型平板顯示器和消費類音頻產(chǎn)品都更愿意采用此類放大器。

　　不過，D類放大器，是通過控制開關(guān)單元的ON/OFF，驅(qū)動揚聲器的放大器。D類放大器首次提出于1958年，近些年已逐漸流行起來。D類放大器在過去的幾代產(chǎn)品中，已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計者極大地改善了系統(tǒng)的耐用性，并提高了其音頻質(zhì)量。

　　在D類調(diào)制器中，通過將音頻信號與高頻固定頻率信號比較，并將結(jié)果在固定頻率的載波上調(diào)制，數(shù)字音頻信號被轉(zhuǎn)換成了PWM信號。形成的信號是可變脈寬的固定載波頻率（通常在幾百kHz），然后由高壓功率MOSFET對這些PWM信號進行放大，放大后的PWM信號再通過低通濾波器去掉載頻，恢復(fù)出原始基帶音頻信號。

　　雖然這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很有效，但它也導(dǎo)致一些不希望的后果，如大量的輻射EMI。由于調(diào)制器采用固定頻率載波，因此將產(chǎn)生基載波的多次諧波輻射。而且，由于PWM信號自身的開關(guān)特性，過沖/下沖和振鈴將產(chǎn)生固定比率的高頻（10～100MHz的范圍）輻射EMI。為了壓制輻射EMI，最新一代PWM調(diào)制器發(fā)展的趨勢是采用擴展頻譜調(diào)制技術(shù)。

　　擴展頻譜調(diào)制技術(shù)用于在更大的帶寬內(nèi)擴展開關(guān)PWM信號的頻譜能量，而不改變原始音頻的內(nèi)容。一個改進傳統(tǒng)調(diào)制器高輻射EMI的有效方法是改變PWM開關(guān)信號的兩個邊沿，如圖1所示。信號以載波頻率為中心，但任何一個邊沿都不是按周期重復(fù)的。這不僅維持了固定載波頻率，而且由于邊沿不是以固定比率跳變的，載波頻率上的輻射能量就得到了極大的降低。

　　由于我們需要從數(shù)字化或調(diào)制信號來恢復(fù)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(tǒng)相匹配的真實模擬信號。

　　這里，我們將闡述一些有關(guān)輸出低通濾波設(shè)計的考慮因素和建議。

　　圖2：BTL半電路模型。

　　D類放大器：單片式D類音頻放大器包括模擬音頻輸入、調(diào)制器、功率晶體管等（見圖1）。

　　輸出濾波器設(shè)計：由于我們需要恢復(fù)所需的音頻信號，因此重要的是設(shè)計出一款優(yōu)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(zhì)的模擬聲音。我們必須設(shè)計具有特定電抗性輸出阻抗的輸出濾波器，以便與負(fù)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(yīng)（圖3）。

　　圖3：巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫型濾波器的低通濾波響應(yīng)的比較。

　　對于一個實際的BTL電路，輸出濾波器如圖4所示。

　　推導(dǎo)出的BTL濾波器方程為：

　　根據(jù)上面的方程，表1列出了對應(yīng)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(guān)鍵元件。它與D類音頻功率放大器系統(tǒng)的直流電阻和額定峰值電流規(guī)格有關(guān)。直流電阻反映了總輸出功率的效率。系統(tǒng)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(nèi)部的輸出驅(qū)動器的晶體管導(dǎo)通電阻;RIND是電感的直流電阻。

　　圖4：實際的BTL電路輸出濾波器。

　　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(guān)鍵參數(shù)。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(shù)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。

　　圖5：LM4680的應(yīng)用框圖（LC輸出濾波器的取值確定）。

　　最后值得一提的是，為了降低失真、EMI和串?dāng)_，建議采用屏蔽式電感（例如：壺形鐵芯電感）。