音频D类功放LC滤波器设计（一）

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;    endend
for i=1:N    if -S1(i)>S2(i)        PWM2(i) = tmp(i)-1;    else        PWM2(i) = tmp(i);    endend
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 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。