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。本文還以美國國家半導(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：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(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：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(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：
