音频D类功放LC滤波器该怎么设计
按照这两个个公式,我们来看看 LC 滤波器不同 Q 值的增益曲线 频率相同,但是 Q 值不同的增益情况。 能够正常的看到 Q=0.707 时,增益曲线是 的。至于为什么准确到 0.707,我也 不清楚,只知道在 Q=0.707 的时候,增益也为 0.707,正好是应滤波器的 3db 带宽的截止频率,因此,上述的 w0 也是截止频率。 例子:使用 TI 的 TPA2005D1 功放,采用差分输出,扬声器的阻抗为 8 欧 姆,请问滤波器该如何设计。 1、滤波器为 LC 滤波器,需要确定 L,C 的值。 2、确定滤波器截止频率,由前面可知,截止频率设计在 f=30Khz 比较合 理。 3、根据差分的等效电路,LC 滤波器等效电路如下,R=8Ω/2=4Ω 4、我们列出已知量和等式: 求得:C=0.94uF,L=30.01uH 根据真实的情况,我们大家可以选择 C=1uF,L=33uH。 如果我们翻开 TI 的 TPA2005D1 规格书手册,会发现它的推荐电路就是这 个,如下图 当然了,我估计有人会说,你废了老半天劲,结果还是直接跟人家推荐电 路一样,我照抄就行了,何必这么费劲,我也不必须了解到这么多。
在谐振时,整个电路的阻抗呈电阻性,也就是说从外部看来,整体是没有 储能性质的。但是其实就是因为在谐振时,电感放电的时候正好电容在充电, 而电容放电的时候,电感正好在充电,两者正好相等,所以外部看来,是没有
能量注入的。上面公式的储能,指的不是新注入的能量,而是已经存储在电感 和电容里面的能量,所以是不为 0 的。
首先,要设计滤波器,自然必须了解到截止频率设计到多少较为贴切。 我们上一节分析了频谱,不难得知,频谱里面除了包含音频分量以外,还 有调制三角波的高频频率成分。我们大家都知道,人耳可以感受到的声音分量 为 20Khz,而调制频率一般在 200Khz 以上,也就是说高频分量在 200Khz 以 上,所以我们设定的截止频率应该在 20Khz-200Khz 之间,这是一个比较宽的 范围,那么具体多少合适呢?
一般我们说,谐振时整个电路呈现电阻性,即虚部为 0,那么我们求得谐 振频率为:
可以看到,谐振频率与并联谐振并不一样。并联谐振电路如下图,其谐振 频率和 Q 值如下:
我查了许多滤波器的设计的文档,没有提谐振频率,只说截止频率和 Q 值。都是用的这下面这两个公式,应该是把这个 LC 滤波器直接看作是并联谐 振电路的吧,当然,这纯属个人看法,不一定对。
当然,一般器件的值都是离散的,因此,截止频率正好在 30Khz 时算出的 电感值和电容值不一定有实物,我们最终选择接近的就好。
LC 滤波器的 Q 值 一般我们说滤波器有一个 Q 值,我们如果查阅资料的线 比较好,此时幅度响应比较平坦。那么这个 Q 值是啥意思呢?为 什么 Q=0.707 比较好呢?下面来具体看下。 必须要格外注意,这里的 Q 值很容易混淆,LC 滤波器的 Q 值是按照谐振回路 Q 值来的。我在写这个文章的时候,曾经误以为谐振电路的 Q 值与电感 Q 值一 样,都是无功功率除以有功功率,然后发现怎么都不对,因为谐振时,阻抗的 虚部为 0,那么 Q 值不是为 0? 具体谐振回路的 Q 值定义可以借鉴这个文档: 谐振电路的 Q 值一般按能量来定义:
当然了,我们也可能只想改一个参数看看情况,比如只改电感值,不改电 容。这里有一个简单的方法,那就是画出增益曲线。
下面是 Matlab 代码,只需要修改里面的 L,C,R 的值,就能看到滤波器 的幅频响应。当你不确定你选用的电感或是电容是不是合适的时候,只需要代到 下面代码执行一遍,就能够正常的看到效果了。
是的,如果能用上推荐电路,自然也没问题。但是时常我们会遇到这一种的 问题,比如说现在喇叭要改用 4Ω的,也是这个电路吗?如果知道了上面的, 仅仅是重新计算下的问题,显然 L 和 C 的值是要改的。
另外,还会有这样的问题,公司都没用过 33uH 的电感,有批量用 15uH 的,我能不能用 15uH 的电感?这种情况怎么办?
不过,我们也必须了解到,LC 滤波器也不是理想的,截止频率指的是幅度衰 减到了 0.707 倍,因此如果我们设定截止频率为 20Khz,那么有用的音频信号 的高频部分是有一定衰减的,这也能够理解为失线Khz 要高一些,截止频率越高的话,越不容易出现音频的高频部分被衰减。但是如 果截止频率设置得越高,那么无用的调制三角波频率分量可能就衰减得不够。 两者兼顾的线Khz 左右比较好。
此时,我们大家可以考虑增大截止频率,还是让 Q=0.707 不变,L=15uH,这 样算得 C=0.47uF,此时对应的截止频率为 f=60Khz。
查看规格书,这个放大器的开关频率为 250Khz,所以,15uH 电感, 0.47uF 电容也能用,当然,只不过对高频分量的抑制作用要差些,EMI 应该会 差些,要求不高的话完全没问题。