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D类音频放大器的输出低通滤波器设计

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作者:时间:2006-05-19来源:

在便携式及小型化消费类产品中,D类音频功率的应用已非常普遍。本文介绍了D类音频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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/12925.htm

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)音频功率的应用已很普遍。由于D类的功耗较低,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

不过,D类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:单片式D类音频包括模拟音频输入、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)。



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:

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


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