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。本文還以美國國家半導體的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計方法，并介紹了即將推出的LM4681的電路框圖和特性。
一直以來，電子系統中的音頻信號都是用模擬電信號來表示的。盡管數字處理和數字放大技術在當今的系統中已經得到了運用，但是音頻/聲音信號還是必須轉換回模擬信號，以滿足人的聽覺系統收聽音樂的需要。
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類放大器基于使用高開關頻率信號的數字調制技術，旨在實現信號的高效放大。調制頻率通常高達數百kHz，這遠遠超出了音頻范圍。
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。這是因為巴特沃斯濾波器能夠提供相對平坦的通帶頻率響應，而且所需的元件數量很少。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(圖3)。
電感和電容值的計算：二階Butterworth濾波器的通用轉移函數為：
用、來替代電感和電容，代入S域。轉移函數變成：
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：
 
LC濾波器的3dB截止頻率為：
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。
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圖5：LM4680的應用框圖(LC輸出濾波器的取值確定)。
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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。
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°。但是現實中，電容總會呈現出一定程度的ESR。
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圖6：TOKO(A7503HY-270M)電感的封裝尺寸。
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品質因數Q是一個無量綱值，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隨頻率而改變，因此，Q值將隨頻率的改變而發生巨大的變化。電容的電抗會隨著頻率或電容值的變化而出現極大的波動，因此會造成Q發生顯著的變化。
金屬薄膜電容能夠保持較高的溫度、頻率和電壓穩定性。在常見的音頻系統中，強烈建議以金屬薄膜電容來替代陶瓷電容。與此同時，在使用電容時，另一個被稱為“額定電壓”的參數也是必須加以考慮的，以確保電容在其有效使用期內無故障預期。
額定電壓：電容的額定電壓由下式計算：
為了從放大器獲得更加優良的輸出信號和總體性能，輸出濾波設計毫無疑問是一個至關重要的因素，不過，電源濾波也會是一個值得關注的重要問題。
D類放大器中的電源濾波有2個目的。
1. 使D類放大器與電源噪聲隔離。
2. 對高頻噪聲進行旁路處理。在D類放大器設備中，至少包含兩組電源，即模擬輸入及控制(AVDD)和輸出晶體管驅動(PVDD)。
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圖7：LM4681內部電路框圖。
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為了實現去耦電容，我們必須考慮峰值開關電流，以獲得一個最小電容。針對峰值開關電流的最小有效電容可由下式計算：
式中：為周期，DMAX為最大占空比，VRIPPLE為紋波電壓。
ESR在大多數場合中都會引起紋波電壓。由ESR和IPEAK產生的最大VRIPPLE為：
由上式我們注意到：ESR將會對電容器的有效電容產生影響。建議并聯兩個或更多的電容，以減小針對不同頻率范圍的ESR。通常采用兩種不同類型的電容，一般是把具有較高電容值的電解電容或鉭電容用于低頻濾波器(小于10kHz)，而將一個并聯的小容值陶瓷電容用于高頻濾波(＞300kHz)。
對于D類音頻放大器，“美國國家半導體”推出了10W單聲道D類產品LM4668和LM4680。這些產品只需要少量外部元件，為工程師帶來了音頻產品的簡易而完善的解決方案。LM4668和LM4680采用平衡、浮動調制器設計來免除襯底噪聲。平衡調制器的PWM輸出用于驅動LM4668或LM4680的H橋配置輸出功率MOSFET的柵極。脈沖序列將被加至一個輸出LC濾波器，以消除不需要的高頻信號。LM4668和LM4680的調制器的標稱開關頻率約為450kHz。
下面給出的是LM4680的應用框圖(見圖5)，其LC輸出濾波器的取值已確定(表2)。
推導出的元件與截止頻率(Fc)的關系式為：
濾波器的兩個電感的數值等于：
三個電容的數值均等于：
建議把具有上述特定參數值的二階LC輸出濾波器用于LM4680的輸出濾波(對于一個8Ω負載)；可以獲得47kHz的標稱截止頻率。它確保20kHz時的衰減遠小于3dB。
表1：表中列出了對應于特定fc和RL的電感值和電容值。
關于電感的建議
當把負載驅動至最大功耗時，輸出濾波器電感必須具有一個高于放大器的最大輸出電流的最大額定電流。所以，當向8Ω負載輸送10W輸出功率時，最大輸出電流可能在1.1A(RMS)左右，因此電感的額定電流至少應為1.2A(RMS)，以防止電感發生任何的飽和現象。建議采用屏蔽式電感器，以便更好地抑制EMI。例如TOKO(A7503HY-270M)電感(見圖6)。
LM4668和LM4680可在各類應用中使用，包括LCD顯示器、電視、電腦聲卡、多媒體揚聲器和廣播系統等。這兩款器件均能夠向8Ω負載提供6W BTL輸出功率(0.2% THD)，也可向8Ω負載輸送10W輸出功率(小于10% THD)。
LM4668和LM4680提供了短路保護、熱保護、過調制保護等功能。因此，它們是在您的系統中實現高品質和高穩定性D類音頻放大器的理想器件。LM4668提供TSSOP-20和LLP-14封裝，LM4680提供LLP-14封裝。
表2：LM4680的LC輸出濾波器的取值。
基于相同D類算法的BTL輸出10W D類立體聲器件LM4681即將面市。除了可驅動8Ω負載的10W立體聲通道之外，LM4681還提供了立體聲耳機驅動器以及用于停機和32級音量控制的I2C/SPI可選控制接口。它擁有面向眾多應用的豐富功能。LM4681的內部電路框圖如圖7所示。
由于I2C和SPI控制接口在不同類型的系統中均得到了十分廣泛的運用，因此，它將為工程師在系統硬件上進行設計提供了便利，并能夠以較少的外部元件來構建系統。LM4681能夠向8Ω負載輸送每通道10W的輸出功率(小于10% THD)，也可向32Ω耳機提供每通道80mW的輸出功率(＜0.5% THD)。當驅動揚聲器時，音量控制范圍為+30dB至-48dB；當驅動耳機時，音量控制范圍為+13dB至-65dB。該器件提供LLP-48封裝。
本文小結
在這個數字化世界里，許多系統和產品都已經數字化了，D類放大器就是基于這種原理的常用音頻放大技術。它能夠提供較高的效率，因而適合于實現更加纖巧的外觀設計并節省更多的功率。在這一最新的電子產品領域，美國國家半導體的D類音頻放大器能夠完美地為眾多應用中的系統提供高品質和高穩定性。
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