設計一個開關式放大器的測量濾波器

wensan

大約兩年多前, 我在Sunnyvale一家小電子公司當技工,
老闆有幫ADI(Analog Device Inc.)生產ssm2301/2/4/6一系列D類放大器的Demo Board,
為了找出最佳的D類放大器輸出電感、電容的組合,
老闆要我用AP失真儀測試ADI的D類放大器接上各種不同廠牌、不同型號、不同數值的電感、電容、磁珠的失真特性,
這樣天天測, 測了相當一段時間,
所以我有一些D類放大器的失真測試經驗.
通常, 一個開關式放大器的輸出濾波器是在放大器的反饋環路以外,
所以開關式放大器的負反饋機制並不能消除輸出濾波器所造成的失真!
尤其是開關式放大器輸出濾波器中的電感所造成的失真,
由於開關式放大器的輸出濾波器要流過很大的電流,
因此濾波器的電感直流電阻必須要非常低,
而且開關頻率的高頻成分的頻譜範圍非常高,
所以濾波器的電感Q值要很高,
如果使用空氣芯電感, 光是電感的體積就會非常大,
一個高Q值、低直流電阻的空氣芯電感的成本也非常高,
何況還有洩磁方面的問題難以解決!
所以開關式放大器輸出濾波器中的電感都是用鐵粉芯電感.
但是鐵粉芯電感會有磁滯失真的問題,
會對開關式放大器的失真造成重大影響!
在IR公司的開關式放大器模組的資料中也清楚表明不同種類的電感會對失真造成重大影響.(見下圖)

ADI 的ssm2301/2/4/6一系列D類放大器採用的是Σ-Δ調變方式,
Σ-Δ調變由於利用積分電路的充放電週期來進行PWM調變,
所以Σ-Δ調變的開關頻率並不是固定的!
例如音頻訊號在中點時,
Σ-Δ調變積分電路的充放電週期是1:1,
當音頻訊號在正電源的1/2時,
充電週期會成為音頻訊號在中點時的充電週期的2倍,
放電週期會成為音頻訊號在中點時的放電週期的2/3,
開關頻率的整個充放電週期變長, 頻率變低了.
也就是說音頻訊號在中點時Σ-Δ調變的開關頻率最高,
音頻訊號越接近正電源或負電源時, Σ-Δ調變的開關頻率越低!
TI(德州儀器)跟ADI 競爭的D類放大器採用的調變方式是用固定頻率的三角波跟音頻訊號比較的方式進行調變,
所以TI 的D類放大器開關頻率是固定的!
TI 的D類放大器的PWM輸出訊號可以用簡單的濾波電路濾掉開關頻率,
在示波器上觀察輸出音頻訊號.
而ADI 的D類放大器卻不行!
為了跟TI 競爭,
ADI的銷售人員找我的老闆幫他們設計一個開關式放大器的測量濾波器,
我的老闆依照AP的AUX-0025開關式放大器測量濾波器的規格(見下圖),
設計了一個六階的RLC被動濾波器.

可是這個濾波器的效果並不好,
當音頻訊號接近正電源或GND時, 開關頻率無法濾除! (見下圖藍色的波形)

經測試, 當音頻訊號接近正電源或GND時,
開關頻率會降到40KHz左右,
而AP的AUX-0025在40KHz只衰減-8dB而已!
如果一個20KHz±0.05dB頻寬的濾波器要在40KHz衰減達-50dB,
估計大概需要一個20階的濾波器!
我的老闆一直設計不出這樣的放大器,
所以我越疽代庖設計了一個開關式放大器的測量濾波器如下:

這個濾波器可以達到20KHz±0.05dB頻寬,
在40KHz衰減達-50dB, 在100KHz衰減達-70dB. (見下圖)

實際製作一個prototype出來測試的效果非常理想! (見下圖黃色的波形)

這個濾波電路其實是由陷波器電路變形而來,
令陷波器的高低頻增益不對稱,
並調整諧振電路的Q值, 錯開諧振頻率.
製作這個濾波器時,
如果只是要在示波器上觀測,
那麼電感可以使用鐵粉芯電感.
但如果是要做失真測試之用,
則電感必須使用空氣芯電感,
而且電路必須依照電感的直流電阻以及Q值重新調校!

y9090201

支持这样的帖子

fpe60

文山大大亲自出马必有好文

晴风雨

收藏下，好好学习!

浩浩

学习!

Biglee_163

文山兄好久不露面,露面就是好文章啊

DB小钟

wensan的贴要顶 学习

DIY游客

是不是也说明了ADI的大接近满功率输出时的失真大？
因为实际功放中不可能用如此复杂的滤波器

laibu88

这是什么高科技啊

hengkong

好久不来，一来就看到好贴

simon_zsw

D类功放......路过

dddiy

好帖要顶一下。

shjkl

好贴！技术贴要帮顶下。

syhkiss

看来不好玩~~

阿四

没看懂，所以要认真学习

chenang39

记号，学习

wensan

本文的重點首先是要強調影響開關式放大器失真特性的因素很多,
其中以輸出濾波器的影響最大,
如果我們DIY出來的開關式放大器的失真特性不理想,
先別輕易論斷廠方的失真指標標示不實,
而應先檢討自己是否在哪個環節做得不夠好!

第二點要強調的是Σ-Δ調變的開關頻率並不是固定的!
通常大家只注意到Σ-Δ調變很精確, 失真很低,
卻沒有注意到Σ-Δ調變的開關頻率變化很大!

第三點是一般在設計濾波器時,
不會想到以陷波器電路變形而成陡降率非常大的低通濾波器.
對此我有一點點自豪!

明9002

这个帖子可以学到东西，留名。

mhook

看得消化不了,撑着.

wensan

原帖由 DIY游客 于 2009-6-1 09:59 发表
是不是也说明了ADI的大接近满功率输出时的失真大？
因为实际功放中不可能用如此复杂的滤波器

我所知道的放大器(不管A類,B類,AB類,D類)在接近滿功率輸出時失真都會變大.

我想你所關心的應該是音頻訊號越接近正電源或負電源時,
Σ-Δ調變的開關頻率變得越低的問題.

開關頻率變低並不代表失真變大.
一般而言,
Σ-Δ調變的優點就是高精確度, 失真低!
所以我所知道目前音響用的開關式放大器是以Σ-Δ調變為主流.
用固定頻率的三角波跟音頻訊號比較進行調變的方式,
由於要產生線性非常精確的三角波並不容易,
所以這種調變方式大都應用在開關式電源和DC-DC轉換器上.

Σ-Δ調變的開關頻率變低以致於開關頻率不容易完全濾除的問題,
也許很多人會很在意這個問題,
但ADI 的ssm2301/2/4/6一系列D類放大器以及TI、MAXIM的同類產品標榜的是Filterless Class-D音頻放大器,
通常是不濾除開關頻率, 直接以PWM訊號去驅動動圈式喇叭.
這類產品廣泛應用在手機、筆記型電腦上,
早已被市場所接受!

當然對於極端要求濾除開關頻率的人,
只要願意負擔這個成本,
使用很複雜的輸出濾波器並不是做不到的事情!
有些要求完美的人,
用很粗的銅線去繞喇叭分頻器的線圈,
一個喇叭分頻器重達二三十公斤,
只要願意這麼做, 就可以這麼做!