D類音頻功放的LC濾波器設(shè)計案例

LC串聯(lián)諧振的意義

有了上一節(jié)的基礎(chǔ)，這一節(jié)我們來看看D類音頻功放的LC濾波器如何設(shè)計，思路是怎么樣的，可以看作是一個案例。

考慮到有些同學(xué)沒接觸過D類音頻功放，我會先簡單介紹下D類功放的工作原理，然后D類功放為什么要用LC濾波器，再到LC濾波器設(shè)計具體過程。

TI公司也有介紹D類放大器LC濾波器的設(shè)計文檔，文末會分享出來。我寫的與TI的區(qū)別，TI的主要介紹具體如何設(shè)計，我主要想說明思路過程，并指出里面的一些細(xì)節(jié)，為什么是這樣。我希望的是，有了思路，即使沒有任何文檔，遇到類似的問題，也能自己去分析。

D類功放工作原理

D類功放相對于A，B，C類來說更不好理解，因為它是需要調(diào)制的，看起來就是占空比不同的PWM波，波形看著與我們的音頻模擬波形一點(diǎn)都不像。

下面來看一看它的原理。

簡單理解就是：音頻信號與三角波高頻載波經(jīng)過比較器進(jìn)行比較，得到占空比不同的PWM波，然后將得到PWM信號通過MOS管對管，經(jīng)過濾波器輸入到喇叭。調(diào)制后得到的PWM里面含有音頻分量，然后通過LC濾波器濾掉高頻載波還原成原始信號。

原理確實非常簡單，但是我們可能會有如下問題，僅僅理解以上內(nèi)容還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

為什么有的電路喇叭兩端用示波器量就是PWM波，但是卻能正常發(fā)出聲音？

LC濾波器該如何設(shè)計，L，C如何取值？

有的D類放大器要LC濾波，有的用磁珠就可以了，為什么？

還有的廠家的宣稱它們的放大器不需要濾波，用了什么技術(shù)？

下面來看看這些問題是怎么分析的。

典型的D類放大器電路

D類放大器，我們常用的方式是差分的方式，即兩個MOS對管中間接喇叭。下面就只分析這種差分方式，單端的分析方法也差不多。

首先，D類放大器是一個大類，主要區(qū)別在于有不同的調(diào)制方式，下面先介紹兩種，AD類，和BD類。

AD類是經(jīng)過三角波調(diào)制后再反相，用了一個比較器。BD類是先將音頻信號反相，再將原信號和反相后的信號分別通過調(diào)制，用了兩個比較器，從圖中看不出來差別，下面來看看波形的區(qū)別。

紅色的為音頻信號，三角波是調(diào)制信號，我們可以很容易的得到濾波之前的差分輸出信號。從波形上看到，AD與BD的差分輸出有著明顯的區(qū)別，但是二者的電平都是高低變化，我們沒法從上面直接得到有用的信息，比如看不出來哪種效率更高，哪種輻射會小一些等等。

這時候，我之前的文章“信號在腦子里面應(yīng)該是什么樣的”就要派上用場了，我們需要把輸出信號進(jìn)行傅里葉變換，得到它們的頻譜，有了頻譜，就很容易看出差別。為此，我借助了Matlab軟件，分別畫出它們的頻譜。

注：為了減小Matlab軟件的計算量（計算量大了電腦會卡），我設(shè)定的音頻信號為1Hz，調(diào)制三角波為20Hz，雖然實際音頻信號頻率肯定是比1Hz要高的，但是分析結(jié)果應(yīng)是一樣的。

下圖是用幅度為1，頻率為20Hz的三角波，來調(diào)制幅度為0.9，頻率為 1Hz的正弦波。

從上圖看出，調(diào)制之后的有用信號1Hz被保留，幅度都是0.9，兩種方式都是一樣的，這說明都能達(dá)到目的，包含了完整的音頻信號。

AD調(diào)制方式，除了有用信號1Hz在，還有調(diào)制三角波頻率20Hz的幅度也很大。而BD調(diào)制方式，20Hz頻率消失了，只存在更高的諧波。從這個角度說， BD的方式是要更好的，損耗降低了。

在音頻輸入為0的時候，也就是說放大器空閑，更能看出AD與BD的區(qū)別，如下圖：

在輸入為0的時候，AD方式的差分輸出為方波，而BD方式輸出為0，毫無疑問，BD方式功耗更低。

事實上，我們拿到了頻譜，就能知道很多事情了。

首先，這些開關(guān)信號實在看起來不像是模擬音頻信號，但是其確實包含了完整的音頻頻率信號在其中，所以直接通到喇叭也是可以正常響的，雖然額外多了高頻載波，但是頻率太高，超過人耳范圍，高頻分量是聽不見的。

其次，這些開關(guān)信號除了包含有用信號，還有豐富的高頻頻率，這些高頻頻率從調(diào)制頻率開始往上。這些高頻分量通到喇叭是沒有什么好處的，反而會額外帶來功率損耗，還有會造成EMI的問題。所以，我們需要一個濾波器來濾掉高頻分量。并且，因為驅(qū)動喇叭需要的功率較大，而RC濾波器會有額外損耗，所以，LC低通濾波器就自然而然被選中了。

最后，我們知道頻譜里面的高頻的頻譜分布，那么濾波器的截止頻率自然就出來了。截止頻率必須高于音頻頻率上限20Khz，而要小于三角波的調(diào)制頻率，在這個范圍內(nèi)，截止頻率越低，去除高頻分量越好。

下面分享下上面波形的Matlab源碼，有興趣的同學(xué)可以去試試。

f＿audio＝1； ％被調(diào)制信號（音頻信號）頻率為1Hz

f＿sanjiao＝20； ％三角波調(diào)制頻率為20Hz

％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％fft采樣設(shè)置

Fs＝10000； ％采樣率為Fs

L＝（Fs／f＿audio）＊100；

％信號長度（采樣總點(diǎn)數(shù)）：100個周期的信號，長度越長，fft精度越高，但是執(zhí)行時間越長

T＝1／Fs； ％采樣周期

t＝（0：L）＊T； ％時間長度

A＿audio ＝ 0．9； ％音頻信號的幅度為 0．9－－－－可以修改為不同的值嘗試

S1＝A＿audio＊sin（2＊pi＊f＿audio＊t）； ％被調(diào)制信號（音頻信號）為幅度A＿audio的正弦波

S2＝sawtooth（2＊pi＊f＿sanjiao＊t，0．5）； ％調(diào)制信號（三角波）為幅度為1的三角波

N＝length（t）；

PWM1＝zeros（1，N）； ％定義PWM1的長度 AD調(diào)制后差分波形

PWM2＝zeros（1，N）； ％定義PWM2的長度 BD調(diào)制后差分波形

tmp＝zeros（1，N）； ％定義tmp的長度 計算用（中間變量）

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調(diào)制

subplot（3，2，1）；

plot（t，S1，t，S2，＇k＇）；

set（gca，＇XLim＇，［0 2／f＿audio］）；％x軸的數(shù)據(jù)顯示基頻2個周期

set（gca，＇YLim＇，［－1．1 1．1］）；

title（＇AD調(diào)制＇）；

xlabel（＇t （s）＇）；

ylabel（＇幅度＇）；

subplot（3，2，3）；

plot（t，PWM1）；

set（gca，＇XLim＇，［0 2／f＿audio］）；％x軸的數(shù)據(jù)顯示范圍

set（gca，＇YLim＇，［－1．1 1．1］）；

title（＇AD方式調(diào)制之后的－差分－信號＇）；

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軸的數(shù)據(jù)顯示范圍

set（gca， ＇XTickLabel＇ ，｛＇0．1＇，＇1＇，＇10＇，＇100＇，＇10K＇，＇100K＇｝）； ％x軸頻率數(shù)據(jù)

title（＇AD方式調(diào)制之后的－差分－頻譜＇）；

set（gca，＇YLim＇，［－0．1 1．5］）；

xlabel（＇f （Hz）＇）；

ylabel（＇幅度＇）；

％％％％％％％％％％％％％％％％％ BD調(diào)制差分信號

subplot（3，2，2）；

plot（t，S1，t，－S1，＇－－r＇，t，S2，＇k＇）；

set（gca，＇XLim＇，［0 2／f＿audio］）；％x軸的數(shù)據(jù)顯示基頻2個周期

set（gca，＇YLim＇，［－1．1 1．1］）；

title（＇BD調(diào)制＇）；

xlabel（＇t （s）＇）；

ylabel（＇幅度＇）；

subplot（3，2，4）；

plot（t，PWM2）；

set（gca，＇XLim＇，［0 2／f＿audio］）；

％x軸的數(shù)據(jù)顯示范圍set（gca，＇YLim＇，［－1．1 1．1］）；

title（＇BD方式調(diào)制之后的－差分－信號＇）；

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軸的數(shù)據(jù)顯示范圍

title（＇BD方式調(diào)制之后的－差分－頻譜＇）；

set（gca， ＇XTickLabel＇ ，｛＇0．1＇，＇1＇，＇10＇，＇100＇，＇10K＇，＇100K＇｝）；％x軸頻率數(shù)據(jù)

set（gca，＇YLim＇，［－0．1 1．5］）；

xlabel（＇f （Hz）＇）；

ylabel（＇幅度＇）；

小結(jié)

這一節(jié)我們看了Class D的輸出信號波形，并分析了其頻譜，我們要學(xué)會看頻譜。本節(jié)就先寫到這里吧，下一節(jié)會具體看看LC濾波器的設(shè)計過程。

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責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：音頻D類功放LC濾波器設(shè)計（一）