LC串聯諧振的意義

 

有了上一節的基礎，這一節我們來看看D類音頻功放的LC濾波器如何設計，思路是怎麼樣的，可以看作是一個案例。

 

考慮到有些同學沒接觸過D類音頻功放，我會先簡單介紹下D類功放的工作原理，然後D類功放為什麼要用LC濾波器
，再到LC濾波器設計具體過程。

 

TI公司也有介紹D類放大器LC濾波器的設計文檔

，文末會分享出來。我寫的與TI的區別，TI的(de)主(zhu)要(yao)介(jie)紹(shao)具(ju)體(ti)如(ru)何(he)設(she)計(ji)
，我(wo)主(zhu)要(yao)想(xiang)說(shuo)明(ming)思(si)路(lu)過(guo)程(cheng)
，並(bing)指(zhi)出(chu)裏(li)麵(mian)的(de)一(yi)些(xie)細(xi)節(jie)，為(wei)什(shen)麼(me)是(shi)這(zhe)樣(yang)。我(wo)希(xi)望(wang)的(de)是(shi)，有(you)了(le)思(si)路(lu)，即(ji)使(shi)沒(mei)有(you)任(ren)何(he)文(wen)檔(dang)
，遇(yu)到(dao)類(lei)似(si)的(de)問(wen)題(ti)，也(ye)能(neng)自(zi)己(ji)去(qu)分(fen)析(xi)。

 

D類功放工作原理

 

D類功放相對於A，B
，C類來說更不好理解
，因為它是需要調製的
，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都不像。

 

下麵來看一看它的原理。

 

 

簡單理解就是：音頻信號與三角波高頻載波經過比較器進行比較，得到占空比不同的PWM波，然後將得到PWM信號通過MOS管對管
，經過濾波器輸入到喇叭。調製後得到的PWM裏麵含有音頻分量，然後通過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，僅僅理解以上內容還是遠遠不夠的。

 

為什麼有的電路喇叭兩端用示波器量就是PWM波，但是卻能正常發出聲音
？

 

LC濾波器該如何設計，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，為什麼？

 

還有的廠家的宣稱它們的放大器不需要濾波
，用了什麼技術？

 

下麵來看看這些問題是怎麼分析的。

 

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。下麵就隻分析這種差分方式，單端的分析方法也差不多。

首先，D類放大器是一個大類，主要區別在於有不同的調製方式
，下麵先介紹兩種，AD類，和BD類。

 

 

AD類是經過三角波調製後再反相，用了一個比較器。BD類是先將音頻信號反相，再將原信號和反相後的信號分別通過調製，用了兩個比較器
，從圖中看不出來差別，下麵來看看波形的區別。

 

 

紅色的為音頻信號，三角波是調製信號，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BDdechafenshuchuyouzhemingxiandequbie，danshierzhededianpingdoushigaodibianhua，womenmeifacongshangmianzhijiededaoyouyongdexinxi，birukanbuchulainazhongxiaolvgenggao
，nazhongfushehuixiaoyixiedengdeng。

 

這時候，我之前的文章“信號在腦子裏麵應該是什麼樣的”就要派上用場了，我們需要把輸出信號進行傅裏葉變換，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），我設定的音頻信號為1Hz

，調製三角波為20Hz，雖然實際音頻信號頻率肯定是比1Hz要高的，但是分析結果應是一樣的。

 

下圖是用幅度為1
，頻率為20Hz的三角波，來調製幅度為0．9
，頻率為 1Hz的正弦波。

 

 

從上圖看出
，調製之後的有用信號1Hz被保留，幅度都是0．9，兩種方式都是一樣的，這說明都能達到目的，包含了完整的音頻信號。

 

AD調製方式，除了有用信號1Hz在，還有調製三角波頻率20Hz的幅度也很大。而BD調製方式
，20Hz頻率消失了，隻存在更高的諧波。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shou先xian，這zhe些xie開kai關guan信xin號hao實shi在zai看kan起qi來lai不bu像xiang是shi模mo擬ni音yin頻pin信xin號hao，但dan是shi其qi確que實shi包bao含han了le完wan整zheng的de音yin頻pin頻pin率lv信xin號hao在zai其qi中zhong
，所suo以yi直zhi接jie通tong到dao喇la叭ba也ye是shi可ke以yi正zheng常chang響xiang的de，雖sui然ran額e外wai多duo了le高gao頻pin載zai波bo，但dan是shi頻pin率lv太tai高gao，超chao過guo人ren耳er範fan圍wei，高gao頻pin分fen量liang是shi聽ting不bu見jian的de。

 

qici，zhexiekaiguanxinhaochulebaohanyouyongxinhao，haiyoufengfudegaopinpinlv，zhexiegaopinpinlvcongtiaozhipinlvkaishiwangshang。zhexiegaopinfenliangtongdaolabashimeiyoushenmehaochude，fanerhuiewaidailaigonglvsunhao，haiyouhuizaochengEMI的問題。所以，我們需要一個濾波器來濾掉高頻分量。並且，因為驅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。

 

最後
，我們知道頻譜裏麵的高頻的頻譜分布，那麼濾波器的截止頻率自然就出來了。截止頻率必須高於音頻頻率上限20Khz，而要小於三角波的調製頻率
，在這個範圍內，截止頻率越低，去除高頻分量越好。

 

下麵分享下上麵波形的Matlab源碼

，有興趣的同學可以去試試。

 

f＿audio＝1
；      ％被調製信號（音頻信號）頻率為1Hz 

f＿sanjiao＝20；   ％三角波調製頻率為20Hz

 

％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％  fft采樣設置

Fs＝10000；  ％采樣率為Fs 

L＝（Fs／f＿audio）＊100
；   

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

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嚐試

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

S2＝sawtooth（2＊pi＊f＿sanjiao＊t，0．5）；  ％調製信號（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調製後差分波形

PWM2＝zeros（1
，N）； ％定義PWM2的長度  BD調製後差分波形

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調製

subplot（3

，2，1）；

plot（t
，S1
，t，S2，＇k＇）；

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

set（gca，＇YLim＇，［－1．1 1．1］）；

title（＇AD調製＇）
；

xlabel（＇t （s）＇）
；

ylabel（＇幅度＇）；

 

subplot（3
，2
，3）；

plot（t
，PWM1）；

set（gca，＇XLim＇，［0 2／f＿audio］）；％x軸的數據顯示範圍

set（gca，＇YLim＇
，［－1．1 1．1］）；

title（＇AD方式調製之後的－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軸的數據顯示範圍

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

title（＇AD方式調製之後的－差分－頻譜＇）；

set（gca，＇YLim＇
，［－0．1 1．5］）；

xlabel（＇f （Hz）＇）；

ylabel（＇幅度＇）；

 

％％％％％％％％％％％％％％％％％ BD調製差分信號

subplot（3，2，2）；

plot（t，S1，t，－S1，＇－－r＇，t，S2，＇k＇）；

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

set（gca，＇YLim＇
，［－1．1 1．1］）；

title（＇BD調製＇）；

xlabel（＇t （s）＇）；

ylabel（＇幅度＇）；

 

subplot（3

，2，4）
；

plot（t
，PWM2）；

set（gca，＇XLim＇
，［0 2／f＿audio］）；

％x軸的數據顯示範圍set（gca，＇YLim＇，［－1．1 1．1］）；

title（＇BD方式調製之後的－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軸的數據顯示範圍

title（＇BD方式調製之後的－差分－頻譜＇）；

set（gca， ＇XTickLabel＇ ，｛＇0．1＇，＇1＇，＇10＇，＇100＇
，＇10K＇
，＇100K＇｝）

； ％x軸頻率數據

set（gca


，＇YLim＇，［－0．1 1．5］）；

xlabel（＇f （Hz）＇）
；

ylabel（＇幅度＇）
；

 

小結

 

這一節我們看了Class D的輸出信號波形，並分析了其頻譜，我們要學會看頻譜。本節就先寫到這裏吧，下一節會具體看看LC濾波器的設計過程。

 

來源：硬件工程師煉成之路

 

 

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