D类音频功放的LC滤波器设计案例

　　LC串联谐振的意义

　　有了上一节的基础，这一节我们来看看D类音频功放的LC滤波器如何设计，思路是怎么样的，可以看作是一个案例。

　　考虑到有些同学没接触过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。

　　TI公司也有介绍D类放大器LC滤波器的设计文档，文末会分享出来。我写的与TI的区别，TI的主要介绍具体如何设计，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。

                           

　　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。

　　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。

 

　　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。

　　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：

　　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，有兴趣的同学可以去试试。

•  

f＿audio＝1；      ％被调制信号（音频信号）频率为1Hz 

f＿sanjiao＝20；   ％三角波调制频率为20Hz

 

％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％  fft采样设置

Fs＝10000；  ％采样率为Fs 

L＝（Fs／f＿audio）＊100；   

％信号长度（采样总点数）：100个周期的信号，长度越长，fft精度越高，但是执行时间越长

T＝1／Fs；    ％采样周期

t＝（0：L）＊T； ％时间长度

 

A＿audio ＝ 0．9；   ％音频信号的幅度为 0．9－－－－可以修改为不同的值尝试

S1＝A＿audio＊sin（2＊pi＊f＿audio＊t）；         ％被调制信号（音频信号）为幅度A＿audio的正弦波

S2＝sawtooth（2＊pi＊f＿sanjiao＊t，0．5）；  ％调制信号（三角波）为幅度为1的三角波
 

N＝length（t）；

PWM1＝zeros（1，N）； ％定义PWM1的长度  AD调制后差分波形

PWM2＝zeros（1，N）； ％定义PWM2的长度  BD调制后差分波形

tmp＝zeros（1，N）；  ％定义tmp的长度  计算用（中间变量）

for i＝1：N    

      if S1（i）＞S2（i）        

           PWM1（i） ＝ 1；        

           tmp（i）  ＝ 1；    

     else        

           PWM1（i） ＝ －1；        

           tmp（i）  ＝ 0；    

     end

end

 

for i＝1：N    

     if －S1（i）＞S2（i）        

           PWM2（i） ＝ tmp（i）－1；    

     else        

           PWM2（i） ＝ tmp（i）；    

     end

end
 

％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％ AD调制

subplot（3，2，1）；

plot（t，S1，t，S2，＇k＇）；

set（gca，＇XLim＇，［0 2／f＿audio］）；％x轴的数据显示基频2个周期

set（gca，＇YLim＇，［－1．1 1．1］）；

title（＇AD调制＇）；

xlabel（＇t （s）＇）；

ylabel（＇幅度＇）；

 

subplot（3，2，3）；

plot（t，PWM1）；

set（gca，＇XLim＇，［0 2／f＿audio］）；％x轴的数据显示范围

set（gca，＇YLim＇，［－1．1 1．1］）；

title（＇AD方式调制之后的－差分－信号＇）；

xlabel（＇t （s）＇）；

ylabel（＇幅度＇）；

 

X1＝abs（fft（PWM1））；

subplot（3，2，5）；

semilogx（Fs＊（0：（L／2））／L，X1（1：L／2＋1）＊2／L）； 

set（gca，＇XLim＇，［0．1 10000］）；％x轴的数据显示范围

set（gca， ＇XTickLabel＇ ，｛＇0．1＇，＇1＇，＇10＇，＇100＇，＇10K＇，＇100K＇｝）； ％x轴频率数据

title（＇AD方式调制之后的－差分－频谱＇）；

set（gca，＇YLim＇，［－0．1 1．5］）；

xlabel（＇f （Hz）＇）；

ylabel（＇幅度＇）；

 

％％％％％％％％％％％％％％％％％ BD调制差分信号

subplot（3，2，2）；

plot（t，S1，t，－S1，＇－－r＇，t，S2，＇k＇）；

set（gca，＇XLim＇，［0 2／f＿audio］）；％x轴的数据显示基频2个周期

set（gca，＇YLim＇，［－1．1 1．1］）；

title（＇BD调制＇）；

xlabel（＇t （s）＇）；

ylabel（＇幅度＇）；

 

subplot（3，2，4）；

plot（t，PWM2）；

set（gca，＇XLim＇，［0 2／f＿audio］）；

％x轴的数据显示范围set（gca，＇YLim＇，［－1．1 1．1］）；

title（＇BD方式调制之后的－差分－信号＇）；

xlabel（＇t （s）＇）；

ylabel（＇幅度＇）；

 

X2＝abs（fft（PWM2））；

subplot（3，2，6）；

semilogx（Fs＊（0：（L／2））／L，X2（1：L／2＋1）＊2／L）；

 set（gca，＇XLim＇，［0．1 10000］）；     ％x轴的数据显示范围

title（＇BD方式调制之后的－差分－频谱＇）；

set（gca， ＇XTickLabel＇ ，｛＇0．1＇，＇1＇，＇10＇，＇100＇，＇10K＇，＇100K＇｝）； ％x轴频率数据

set（gca，＇YLim＇，［－0．1 1．5］）；

xlabel（＇f （Hz）＇）；

ylabel（＇幅度＇）；
 

　　小结

　　这一节我们看了Class D的输出信号波形，并分析了其频谱，我们要学会看频谱。本节就先写到这里吧，下一节会具体看看LC滤波器的设计过程。

推荐阅读：音频D类功放LC滤波器该怎么设计

责任编辑：xj

原文标题：音频D类功放LC滤波器设计（一）

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