D類音頻放大器的輸出低通濾波器設(shè)計(jì)

在便攜式及小型化消費(fèi)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(jì)原理，給出了濾波器中電感和電容值的計(jì)算方法和選擇時(shí)的考慮因素。本文還以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的D類音頻放大器LM4668和LM4680為例，描述了具體的輸出濾波器的設(shè)計(jì)方法，并介紹了即將推出的LM4681的電路框圖和特性。

一直以來，電子系統(tǒng)中的音頻信號(hào)都是用模擬電信號(hào)來表示的。盡管數(shù)字處理和數(shù)字放大技術(shù)在當(dāng)今的系統(tǒng)中已經(jīng)得到了運(yùn)用，但是音頻/聲音信號(hào)還是必須轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)，以滿足人的聽覺系統(tǒng)收聽音樂的需要。

圖1：?jiǎn)纹珼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(fèi)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(zhǎng)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(fèi)類音頻產(chǎn)品都更愿意采用此類放大器。

不過，D類放大器基于使用高開關(guān)頻率信號(hào)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效放大。調(diào)制頻率通常高達(dá)數(shù)百kHz，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了音頻范圍。

由于我們需要從數(shù)字化或調(diào)制信號(hào)來恢復(fù)所需的真實(shí)音頻信號(hào)(音樂)，因而必需采用一個(gè)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(shí)模擬信號(hào)。

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

圖2：BTL半電路模型。

D類放大器：?jiǎn)纹紻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(jì)：由于我們需要恢復(fù)所需的音頻信號(hào)，因此重要的是設(shè)計(jì)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(hào))并獲得高品質(zhì)的模擬聲音。我們必須設(shè)計(jì)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(gè)二階、LC型Butterworth(巴特沃斯)濾波器。這是因?yàn)榘吞匚炙篂V波器能夠提供相對(duì)平坦的通帶頻率響應(yīng)，而且所需的元件數(shù)量很少。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)。

電感和電容值的計(jì)算：二階Butterworth濾波器的通用轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

用？？、來替代電感和電容，代入S域。轉(zhuǎn)移函數(shù)變成：

用來簡(jiǎn)化這些方程，得出：

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(duì)于一個(gè)實(shí)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：

LC濾波器的3dB截止頻率為：

根據(jù)上面的方程，表1列出了對(duì)應(yīng)于特定f_c和R_L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：R_L是揚(yáng)聲器的直流電阻，R_DSON是D類放大器內(nèi)部的輸出驅(qū)動(dòng)器的晶體管導(dǎo)通電阻；R_IND是電感的直流電阻。

圖4：實(shí)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)。因此，強(qiáng)烈建議采用直流電阻較低的電感。

對(duì)于電感而言，另一個(gè)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(yáng)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)。

壺形鐵芯以其卓越的屏蔽性能而著稱，這是因?yàn)槌擞糜诖┰綄?dǎo)線的兩個(gè)窄槽之外，電感線圈被磁芯完全包圍。

電容的選擇：在評(píng)價(jià)高頻片式電容的過程中，最重要的參數(shù)之一便是Q(品質(zhì)因數(shù))，或者相關(guān)的等效串聯(lián)電阻(ESR)。

簡(jiǎn)單地說，ESR就是給定頻率條件下電容中的所有串聯(lián)和并聯(lián)損耗的衡量尺度。從理論上講，“理想”電容的ESR將為0Ω，并且是純電抗性的，沒有實(shí)部(阻性)分量。流經(jīng)電容的電流在所有的頻率上都將恰好超前電容兩端的電壓達(dá)90°。但是現(xiàn)實(shí)中，電容總會(huì)呈現(xiàn)出一定程度的ESR。

圖6：TOKO(A7503HY-270M)電感的封裝尺寸。

品質(zhì)因數(shù)Q是一個(gè)無量綱值，它等于電容的電抗與電容的寄生電阻(ESR)兩者相除所得的商。

由于電抗和電阻均會(huì)隨頻率而改變，因此，Q值將隨頻率的改變而發(fā)生巨大的變化。電容的電抗會(huì)隨著頻率或電容值的變化而出現(xiàn)極大的波動(dòng)，因此會(huì)造成Q發(fā)生顯著的變化。

金屬薄膜電容能夠保持較高的溫度、頻率和電壓穩(wěn)定性。在常見的音頻系統(tǒng)中，強(qiáng)烈建議以金屬薄膜電容來替代陶瓷電容。與此同時(shí)，在使用電容時(shí)，另一個(gè)被稱為“額定電壓”的參數(shù)也是必須加以考慮的，以確保電容在其有效使用期內(nèi)無故障預(yù)期。

額定電壓：電容的額定電壓由下式計(jì)算：

為了從放大器獲得更加優(yōu)良的輸出信號(hào)和總體性能，輸出濾波設(shè)計(jì)毫無疑問是一個(gè)至關(guān)重要的因素，不過，電源濾波也會(huì)是一個(gè)值得關(guān)注的重要問題。

D類放大器中的電源濾波有2個(gè)目的。

1. 使D類放大器與電源噪聲隔離。

2. 對(duì)高頻噪聲進(jìn)行旁路處理。在D類放大器設(shè)備中，至少包含兩組電源，即模擬輸入及控制(AVDD)和輸出晶體管驅(qū)動(dòng)(PVDD)。

圖7：LM4681內(nèi)部電路框圖。

為了實(shí)現(xiàn)去耦電容，我們必須考慮峰值開關(guān)電流，以獲得一個(gè)最小電容。針對(duì)峰值開關(guān)電流的最小有效電容可由下式計(jì)算：

式中：為周期，D_MAX為最大占空比，V_RIPPLE為紋波電壓。

ESR在大多數(shù)場(chǎng)合中都會(huì)引起紋波電壓。由ESR和I_PEAK產(chǎn)生的最大V_RIPPLE為：

由上式我們注意到：ESR將會(huì)對(duì)電容器的有效電容產(chǎn)生影響。建議并聯(lián)兩個(gè)或更多的電容，以減小針對(duì)不同頻率范圍的ESR。通常采用兩種不同類型的電容，一般是把具有較高電容值的電解電容或鉭電容用于低頻濾波器(小于10kHz)，而將一個(gè)并聯(lián)的小容值陶瓷電容用于高頻濾波(＞300kHz)。

對(duì)于D類音頻放大器，“美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體”推出了10W單聲道D類產(chǎn)品LM4668和LM4680。這些產(chǎn)品只需要少量外部元件，為工程師帶來了音頻產(chǎn)品的簡(jiǎn)易而完善的解決方案。LM4668和LM4680采用平衡、浮動(dòng)調(diào)制器設(shè)計(jì)來免除襯底噪聲。平衡調(diào)制器的PWM輸出用于驅(qū)動(dòng)LM4668或LM4680的H橋配置輸出功率MOSFET的柵極。脈沖序列將被加至一個(gè)輸出LC濾波器，以消除不需要的高頻信號(hào)。LM4668和LM4680的調(diào)制器的標(biāo)稱開關(guān)頻率約為450kHz。

下面給出的是LM4680的應(yīng)用框圖(見圖5)，其LC輸出濾波器的取值已確定(表2)。

推導(dǎo)出的元件與截止頻率(F_c)的關(guān)系式為：

濾波器的兩個(gè)電感的數(shù)值等于：

三個(gè)電容的數(shù)值均等于：

建議把具有上述特定參數(shù)值的二階LC輸出濾波器用于LM4680的輸出濾波(對(duì)于一個(gè)8Ω負(fù)載)；可以獲得47kHz的標(biāo)稱截止頻率。它確保20kHz時(shí)的衰減遠(yuǎn)小于3dB。

表1：表中列出了對(duì)應(yīng)于特定fc和RL的電感值和電容值。

關(guān)于電感的建議

當(dāng)把負(fù)載驅(qū)動(dòng)至最大功耗時(shí)，輸出濾波器電感必須具有一個(gè)高于放大器的最大輸出電流的最大額定電流。所以，當(dāng)向8Ω負(fù)載輸送10W輸出功率時(shí)，最大輸出電流可能在1.1A(RMS)左右，因此電感的額定電流至少應(yīng)為1.2A(RMS)，以防止電感發(fā)生任何的飽和現(xiàn)象。建議采用屏蔽式電感器，以便更好地抑制EMI。例如TOKO(A7503HY-270M)電感(見圖6)。

LM4668和LM4680可在各類應(yīng)用中使用，包括LCD顯示器、電視、電腦聲卡、多媒體揚(yáng)聲器和廣播系統(tǒng)等。這兩款器件均能夠向8Ω負(fù)載提供6W BTL輸出功率(0.2% THD)，也可向8Ω負(fù)載輸送10W輸出功率(小于10% THD)。

LM4668和LM4680提供了短路保護(hù)、熱保護(hù)、過調(diào)制保護(hù)等功能。因此，它們是在您的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)和高穩(wěn)定性D類音頻放大器的理想器件。LM4668提供TSSOP-20和LLP-14封裝，LM4680提供LLP-14封裝。

表2：LM4680的LC輸出濾波器的取值。

基于相同D類算法的BTL輸出10W D類立體聲器件LM4681即將面市。除了可驅(qū)動(dòng)8Ω負(fù)載的10W立體聲通道之外，LM4681還提供了立體聲耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及用于停機(jī)和32級(jí)音量控制的I2C/SPI可選控制接口。它擁有面向眾多應(yīng)用的豐富功能。LM4681的內(nèi)部電路框圖如圖7所示。

由于I2C和SPI控制接口在不同類型的系統(tǒng)中均得到了十分廣泛的運(yùn)用，因此，它將為工程師在系統(tǒng)硬件上進(jìn)行設(shè)計(jì)提供了便利，并能夠以較少的外部元件來構(gòu)建系統(tǒng)。LM4681能夠向8Ω負(fù)載輸送每通道10W的輸出功率(小于10% THD)，也可向32Ω耳機(jī)提供每通道80mW的輸出功率(＜0.5% THD)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器時(shí)，音量控制范圍為+30dB至-48dB；當(dāng)驅(qū)動(dòng)耳機(jī)時(shí)，音量控制范圍為+13dB至-65dB。該器件提供LLP-48封裝。

本文小結(jié)

在這個(gè)數(shù)字化世界里，許多系統(tǒng)和產(chǎn)品都已經(jīng)數(shù)字化了，D類放大器就是基于這種原理的常用音頻放大技術(shù)。它能夠提供較高的效率，因而適合于實(shí)現(xiàn)更加纖巧的外觀設(shè)計(jì)并節(jié)省更多的功率。在這一最新的電子產(chǎn)品領(lǐng)域，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的D類音頻放大器能夠完美地為眾多應(yīng)用中的系統(tǒng)提供高品質(zhì)和高穩(wěn)定性。