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D类音频功放的LC滤波器如何设计

2021/2/2 11:35:46
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  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。

D类音频功放的LC滤波器如何设计


  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。

D类音频功放的LC滤波器如何设计


  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。

D类音频功放的LC滤波器如何设计


  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。

D类音频功放的LC滤波器如何设计


  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:

D类音频功放的LC滤波器如何设计


  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。


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