数字功放低通滤波器详解：恢复音频与滤波效果

"本文介绍了数字功放中低通滤波器的作用、类型以及各种低通滤波器的特性。" 在数字功放系统中，低通滤波器（LPF）扮演着至关重要的角色。数字功放采用开关放大技术，其开关功率级输出的是高频脉宽调制（PWM）信号，这种信号包含了音频信息。PWM信号的频率通常在几百kHz，远高于音频信号的20Hz到20kHz带宽。因此，为了从PWM信号中提取音频信号，需要一个低通滤波器来滤除高频成分，恢复纯净的音频信号。 低通滤波器的频率特性如图1所示，它能够有效地衰减高频成分，使音频信号得以清晰重现。然而，即使经过滤波，仍可能残留少量高频开关成分。根据组成元件的不同，低通滤波器分为LC型、无源RC型和有源RC型。LC低通滤波器适用于功率输出，具有较小的等效内阻和较大的输出功率，常见于数字功放的功率输出级。而无源和有源RC低通滤波器则常用于反馈、测试等场景，它们的输出功率相对较小，但可以提供所需的滤波特性。 LC低通滤波器可以是一阶或二阶，甚至四阶。二阶LC滤波器由两个一阶滤波器串联组成，其性能与四阶滤波器相比，功率损耗更低，频响与阻抗变化更稳定，但成本较高。四阶滤波器则能提供更好的噪声抑制，尤其是在电磁干扰（EMI）方面表现更优。例如，二阶LC低通滤波器的拉普拉斯变换公式展示了负载电阻如何影响其Q值和频率响应曲线。 无源RC低通滤波器结构简单，为一阶系统，由电阻和电容组成，如图8所示。它适用于简单的滤波需求，但其性能受到负载电阻的影响。例如，改变负载电阻会改变频率响应曲线，如图7所示，不同的负载电阻会导致在20kHz处的幅度变化。 低通滤波器在数字功放中是必不可少的组成部分，它确保了音频信号的有效还原，并通过滤波降低噪声和高频干扰。选择适当的低通滤波器类型和设计参数，对提升数字功放系统的性能至关重要。