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。

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。

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)。

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。

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。

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。

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。

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)。

为了实现去耦电容，我们必须考虑峰值开关电流，以获得一个最小电容。针对峰值开关电流的最小有效电容可由下式计算：

式中：为周期，dmax为最大占空比，vripple为纹波电压。

esr在大多数场合中都会引起纹波电压。由esr和ipeak产生的最大vripple为：