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
，TIdezhuyaojieshaojutiruhesheji
，wozhuyaoxiangshuomingsiluguocheng
，bingzhichulimiandeyixiexijie，weishenmeshizheyang。woxiwangdeshi
，youlesilu
，jishimeiyourenhewendang，yudaoleisidewenti，yenengzijiqufenxi。

 

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)。

 

其(qi)次(ci)，這(zhe)些(xie)開(kai)關(guan)信(xin)號(hao)除(chu)了(le)包(bao)含(han)有(you)用(yong)信(xin)號(hao)
，還(hai)有(you)豐(feng)富(fu)的(de)高(gao)頻(pin)頻(pin)率(lv)
，這(zhe)些(xie)高(gao)頻(pin)頻(pin)率(lv)從(cong)調(tiao)製(zhi)頻(pin)率(lv)開(kai)始(shi)往(wang)上(shang)。這(zhe)些(xie)高(gao)頻(pin)分(fen)量(liang)通(tong)到(dao)喇(la)叭(ba)是(shi)沒(mei)有(you)什(shen)麼(me)好(hao)處(chu)的(de)，反(fan)而(er)會(hui)額(e)外(wai)帶(dai)來(lai)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)，還(hai)有(you)會(hui)造(zao)成(cheng)EMI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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