在便攜式及小型化消費類產品中，D類音頻功率放大器的應用已非常普遍。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。



圖1：單片D類音頻放大器的組成。

目前，在大多數便攜式及小型化消費類產品，如MP3、便攜式DVD和平板顯示器等中，開關模式（D類）音頻功率放大器的應用已很普遍。由于D類放大器的功耗較低，因此能夠實現較高的效率。它延長了便攜式設備的電池使用壽命，并能夠減小散熱器的尺寸和PCB的面積，從而節省了系統成本。所以，許多大型平板顯示器和消費類音頻產品都更愿意采用此類放大器。

不過，D類放大器，是通過控制開關單元的ON/OFF，驅動揚聲器的放大器。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品中，已經得到了巨大的發展，系統設計者極大地改善了系統的耐用性，并提高了其音頻質量。

在D類調制器中，通過將音頻信號與高頻固定頻率信號比較，并將結果在固定頻率的載波上調制，數字音頻信號被轉換成了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，恢復出原始基帶音頻信號。

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

擴展頻譜調制技術用于在更大的帶寬內擴展開關PWM信號的頻譜能量，而不改變原始音頻的內容。一個改進傳統調制器高輻射EMI的有效方法是改變PWM開關信號的兩個邊沿，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。

由于我們需要從數字化或調制信號來恢復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相匹配的真實模擬信號。

這里，我們將闡述一些有關輸出低通濾波設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、調制器、功率晶體管等（見圖1）。

輸出濾波器設計：由于我們需要恢復所需的音頻信號，因此重要的是設計出一款優秀的輸出低通濾波器，以濾除高頻分量（無用信號）并獲得高品質的模擬聲音。我們必須設計具有特定電抗性輸出阻抗的輸出濾波器，以便與負載阻抗相匹配。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（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。

推導出的BTL濾波器方程為：



根據上面的方程，表1列出了對應于特定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，電感是關鍵元件。它與D類音頻功率放大器系統的直流電阻和額定峰值電流規格有關。直流電阻反映了總輸出功率的效率。系統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類放大器內部的輸出驅動器的晶體管導通電阻;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鍵參數。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和串擾，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，這是因為除了用于穿越導線的兩個窄槽之外，電感線圈被磁芯完全包圍。歡迎轉載，本文來自電子發燒友網

電容的選擇：在評價高頻片式電容的過程中，最重要的參數之一便是Q（品質因數），或者相關的等效串聯電阻（ESR）。

簡單地說，ESR就是給定頻率條件下電容中的所有串聯和并聯損耗的衡量尺度。從理論上講，“理想”電容的ESR將為0Ω，并且是純電抗性的，沒有實部（阻性）分量。流經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90。