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D类音频功放LC滤波器设计

作者:立深鑫        发布时间:01-08        点击:
摘要 : D类音频功放的LC滤波器如何设计,思路是怎么样的,今天小编就给大家分享一个案例。考虑到有些人没接触过D类音频功放,我会先简单介绍下D类功放的工作原理,然后D类功放为什么要用LC滤波器,再到LC滤波器设计具体过程。
LC串联谐振的意义

D类音频功放的LC滤波器如何设计,思路是怎么样的,今天小编就给大家分享一个案例。

考虑到有些人没接触过D类音频功放,我会先简单介绍下D类功放的工作原理,然后D类功放为什么要用LC滤波器,再到LC滤波器设计具体过程。

我主要想说明思路过程,并指出里面的一些细节,为什么是这样。我希望的是,有了思路,即使没有任何文档,遇到类似的问题,也能自己去分析。

D类功放工作原理

D类功放相对于A,B,C类来说更不好理解,因为它是需要调制的,看起来就是占空比不同的PWM波,波形看着与我们的音频模拟波形一点都不像。

下面来看一看它的原理。


音频功率放大器工作原理

简单理解就是:音频信号与三角波高频载波经过比较器进行比较,得到占空比不同的PWM波,然后将得到PWM信号通过MOS管对管,经过滤波器输入到喇叭。调制后得到的PWM里面含有音频分量,然后通过LC滤波器滤掉高频载波还原成原始信号。

原理确实非常简单,但是我们可能会有如下问题,仅仅理解以上内容还是远远不够的。

为什么有的电路喇叭两端用示波器量就是PWM波,但是却能正常发出声音?

LC滤波器该如何设计,L,C如何取值?

有的D类放大器要LC滤波,有的用磁珠就可以了,为什么?

还有的厂家的宣称它们的放大器不需要滤波,用了什么技术?

下面来看看这些问题是怎么分析的。

典型的D类放大器电路

D类放大器,我们常用的方式是差分的方式,即两个MOS对管中间接喇叭。下面就只分析这种差分方式,单端的分析方法也差不多。

首先,D类放大器是一个大类,主要区别在于有不同的调制方式,下面先介绍两种,AD类,和BD类。


音频放大器电路

AD类是经过三角波调制后再反相,用了一个比较器。BD类是先将音频信号反相,再将原信号和反相后的信号分别通过调制,用了两个比较器,从图中看不出来差别,下面来看看波形的区别。

音频放大器音频信号

红色的为音频信号,三角波是调制信号,我们可以很容易的得到滤波之前的差分输出信号。从波形上看到,AD与BD的差分输出有着明显的区别,但是二者的电平都是高低变化,我们没法从上面直接得到有用的信息,比如看不出来哪种效率更高,哪种辐射会小一些等等。

这时候,我之前的文章“信号在脑子里面应该是什么样的”就要派上用场了,我们需要把输出信号进行傅里叶变换,得到它们的频谱,有了频谱,就很容易看出差别。为此,我借助了Matlab软件,分别画出它们的频谱。

注:为了减小Matlab软件的计算量(计算量大了电脑会卡),我设定的音频信号为1Hz,调制三角波为20Hz,虽然实际音频信号频率肯定是比1Hz要高的,但是分析结果应是一样的。

下图是用幅度为1,频率为20Hz的三角波,来调制幅度为0.9,频率为 1Hz的正弦波。


音频放大器弦波

从上图看出,调制之后的有用信号1Hz被保留,幅度都是0.9,两种方式都是一样的,这说明都能达到目的,包含了完整的音频信号。

AD调制方式,除了有用信号1Hz在,还有调制三角波频率20Hz的幅度也很大。而BD调制方式,20Hz频率消失了,只存在更高的谐波。从这个角度说, BD的方式是要更好的,损耗降低了。

在音频输入为0的时候,也就是说放大器空闲,更能看出AD与BD的区别,如下图:


音频放大器弦波

在输入为0的时候,AD方式的差分输出为方波,而BD方式输出为0,毫无疑问,BD方式功耗更低。

事实上,我们拿到了频谱,就能知道很多事情了。

首先,这些开关信号实在看起来不像是模拟音频信号,但是其确实包含了完整的音频频率信号在其中,所以直接通到喇叭也是可以正常响的,虽然额外多了高频载波,但是频率太高,超过人耳范围,高频分量是听不见的。

其次,这些开关信号除了包含有用信号,还有丰富的高频频率,这些高频频率从调制频率开始往上。这些高频分量通到喇叭是没有什么好处的,反而会额外带来功率损耗,还有会造成EMI的问题。所以,我们需要一个滤波器来滤掉高频分量。并且,因为驱动喇叭需要的功率较大,而RC滤波器会有额外损耗,所以,LC低通滤波器就自然而然被选中了。

最后,我们知道频谱里面的高频的频谱分布,那么滤波器的截止频率自然就出来了。截止频率必须高于音频频率上限20Khz,而要小于三角波的调制频率,在这个范围内,截止频率越低,去除高频分量越好。

下面分享下上面波形的Matlab源码,有兴趣的可以去试试。


Matlab源码