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          D類音頻放大器的輸出低通濾波器設(shè)計(jì)

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          作者:作者:李健強(qiáng) 時(shí)間:2007-01-26 來源:《E代電子》 收藏

          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。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/20927.htm

          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)纹琩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:?jiǎn)纹絛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)。



          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:

          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:

          式中:rl是揚(yáng)聲器的直流電阻,rdson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;rind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,濾波也會(huì)是一個(gè)值得關(guān)注的重要問題。

            d類放大器中的濾波有2個(gè)目的。

            1. 使d類放大器與噪聲隔離。

            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,dmax為最大占空比,vripple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ipeak產(chǎn)生的最大vripple為:



          關(guān)鍵詞: 模擬IC 電源

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