音频D类功放LC滤波器设计（二）

和生k7zm98l2kv 2023-10-16 发布于广东

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上一节我们分析了D类功放的频谱，这一节就来具体看看滤波器该怎么设计。

截止频率的确定

首先，要设计滤波器，自然需要知道截止频率设计到多少比较合适。

我们上一节分析了频谱，可以知道，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。我们知道，人耳可以感受到的声音分量最大为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？

不过，我们也需要知道，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，这也可以理解为失真。所以截止频率要比20Khz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。两者兼顾的话，个人觉得设置在30Khz左右比较好。

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话，会知道Q=0.707比较好，此时幅度响应比较平坦。那么这个Q值是什么意思呢？为什么Q=0.707比较好呢？下面来具体看下。

需要注意，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值定义可以参考这个文档：

https://wenku.baidu.com/view/8ea7d2069a6648d7c1c708a1284ac850ad020488.html

谐振电路的Q值一般按能量来定义：

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。但是实际上是因为在谐振时，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。

那么我们实际的滤波器的谐振频率w，Q值又是多少呢？

我们可以很轻松的写出上面滤波器的阻抗表达式：

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。

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。

上图为w0频率相同，但是Q值不同的增益情况。

可以看到Q=0.707时，增益曲线是最好的。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。

滤波电路

CLASS的常用的LC滤波器电路如下图所示

因为电路是对称的，它可以等效为如下电路：

我们分析一半即可，也就是下面这样：

这是一个典型的LC滤波电路。

LC滤波器设计举例

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

根据实际情况，我们可以选择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，我也不需要知道这么多。

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样的问题，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，只不过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？

此时，我们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。

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否合适的时候，只需要代到下面代码执行一遍，就可以看到效果了。

f=[1000:100:100000000];   %频率范围1Khz-10Mhz
w=(f.*pi*2);              %角频率
C=0.000001;    %1uF   电容量
L=0.000033;    %33uH   电感量
R=4;          %等效负载（可能是喇叭阻抗的一般，根据情况而定）
Zc=1./(w.*C.*1i);   %电容阻抗
Zl=w.*L.*1i;        %电感阻抗
Q=R*((C/L)^0.5);  %滤波器Q值
Av=abs(((Zc.*R)./(Zc+R))./(((Zc.*R)./(Zc+R))+Zl)); %负载1对应增益
figure;       %画图
loglog(f,Av);
legend(['Q=',num2str(Q)]);%Q值
grid on;      %显示网格
set(gca,'YLim',[0.001 20]);%y轴的数据显示范围
set(gca, 'XTickLabel' ,{'1K','10K','100K','1M','10M','100M'}); %x轴频率数据
set(gca, 'YTickLabel' ,{'0.001','0.01','0.1','1','10','100','1000'});   %x轴幅度数据
xlabel('频率'), ylabel('增益');  %x，y轴名称