D类音频放大器的输出低通滤波器设计

文章摘要：在便携式及小型化消费类产品中，D类音频功率放大器的应用已非常普遍。本文介绍了D类音频放大器的输出低通滤波器的设计原理，给出了滤波器中电感和电容值的计算方法和选择时的考虑因素。本文还以美国国家半导体的D类音频放大器LM4668和LM4680为例，描述了具体的输出滤波器的设计方法，并介绍了即将推出的LM4681的电路框图和特性。 一直以来，电子系统中的音频信号都是用模拟电信号来表示的。尽管数字处理和数字放大技术在当今的系统中已经得到了运用，但是音频/声音信号还是必须转换回模拟信号，以满足人的听觉系统收听音乐的需要。 图1：单片D类音频放大器的组成。目前，在大多数便携式及小型化消费类产品，如MP3、

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在便携式及小型化消费类产品中，D类音频功率放大器的应用已非常普遍。本文介绍了D类音频放大器的输出低通滤波器的设计原理，给出了滤波器中电感和电容值的计算方法和选择时的考虑因素。本文还以美国国家半导体的D类音频放大器LM4668和LM4680为例，描述了具体的输出滤波器的设计方法，并介绍了即将推出的LM4681的电路框图和特性。

一直以来，电子系统中的音频信号都是用模拟电信号来表示的。尽管数字处理和数字放大技术在当今的系统中已经得到了运用，但是音频/声音信号还是必须转换回模拟信号，以满足人的听觉系统收听音乐的需要。

图1：单片D类音频放大器的组成。

目前，在大多数便携式及小型化消费类产品，如MP3、便携式DVD和平板显示器等中，开关模式(D类)音频功率放大器的应用已很普遍。由于D类放大器的功耗较低，因此能够实现较高的效率。它延长了便携式设备的电池使用寿命，并能够减小散热器的尺寸和PCB的面积，从而节省了系统成本。所以，许多大型平板显示器和消费类音频产品都更愿意采用此类放大器。

不过，D类放大器基于使用高开关频率信号的数字调制技术，旨在实现信号的高效放大。调制频率通常高达数百kHz，这远远超出了音频范围。

由于我们需要从数字化或调制信号来恢复所需的真实音频信号(音乐)，因而必需采用一个输出低通滤波器来滤除高频分量，以再生与人类听觉系统相匹配的真实模拟信号。

这里，我们将阐述一些有关输出低通滤波设计的考虑因素和建议。

图2：BTL半电路模型。

D类放大器：单片式D类音频放大器包括模拟音频输入、调制器、功率晶体管等(见图1)。

输出滤波器设计：由于我们需要恢复所需的音频信号，因此重要的是设计出一款优秀的输出低通滤波器，以滤除高频分量(无用信号)并获得高品质的模拟声音。我们必须设计具有特定电抗性输出阻抗的输出滤波器，以便与负载阻抗相匹配。BTL半边电路模型如图2所示。

D类放大器的输出滤波器通常是一个二阶、LC型Butterworth(巴特沃斯)滤波器。这是因为巴特沃斯滤波器能够提供相对平坦的通带频率响应，而且所需的元件数量很少。这里给出一幅参考曲线图，用于显示巴特沃斯、Bessel(贝塞尔)和chebyshev(切比雪夫)型滤波器的LPF响应(图3)。

电感和电容值的计算：二阶Butterworth滤波器的通用转移函数为：

用？？、来替代电感和电容，代入S域。转移函数变成：

用来简化这些方程，得出：

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