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高性能音频放大器的设计规则与技巧
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传统高功率音讯放大器的每通道输出功率在100瓦以上 ,并且大多采用分离式的电路组件。因此www.8 t tt8. com,dd dtt. com确保输出的稳定性和音效,工程师通常需要sSbBwW.cOm花很大精力对高传真音讯放大器进行匹配和调节。本文以美国国家半导体的音讯驱动器LME49810为例进行说明,该组件可提供200V的峰峰值输出电压摆幅,并可驱动不同类型的输出级,适合高阶消费和专业级音讯应用,www .ddd tt. com主动录音室监视器、超重低音扬声器、音讯/视讯接收器、商用扩音系统、非原厂音响、专业级混音器,分布式音讯和吉他放大器等。此外,也适用于各类高电压及低失真
的产业用音讯系统。可为音讯系统提供更精简的设计,协助设计人员更 的开发出高性能音讯系统,实现更高的稳定性和一致性,大幅减少系统研发和生产时的分离式组件匹配及调节工作。设计技巧
采用美国国家半导体的音讯驱动器来设计高质量音讯系统的方法有8ttt8。以下为设计建议。
输入级:输入级设计是放大器最关键的一环。透过来自反馈的讯号进行相减,输入级会产生一个误差讯号,把www.hnygpx.com误差讯号驱动到输出。该误差讯号通常很小,足以为放大器提供足够的线性度。
LME49810是一款双极输入放大器,其输入阻抗的匹配性相当www.hnygpx.com。受来自正输入埠和负输入埠的偏置电流的影响,输入阻抗的失配会www.d dd tT. com输入偏移电压。该输入偏移电压将按照<8ttt8table>死循环增益放大。当然,LME49810的输入偏置电流很低,对于
图1:输入级和反馈应用示意图。
SsbbwW.comwww.,通常采用的的音讯输入设计有两种:交流或直流耦合输入。交流耦合输入的优点是来自前置放大器、滤波器级或编译码器级的放大器输入直流偏移SsbbwW.com都是零,且无需在放大器中加入任何
的直流伺服电路来防止直流故障。而直流耦合输入的优点则是无需使用大尺寸和昂贵的交流耦合电容;不会出现wWw.由交流耦合电容所产生的低频失真;可减轻交流耦合RC网络的噪声。 负反馈系数:功率放大器的负反馈设置可为系统带来
图2:输出偏置电路结构。
补偿:放大器的补偿是用来调节开环增益和相位性能,以便当反馈被关闭时能把系统稳定下来。SsbbwW.comwww.,要ssbbww较高的稳定性补偿越大越好。可是,补偿越大,音讯芯片的频宽和压摆率就越低,而较低的压摆率会使系统产生出较柔和的音讯特性,相反较高的压摆率则可产生较清晰和真实的音讯特性。LME49810的密勒补偿是透过在‘Comp’和‘BiasM’接脚之间
静音:MUTE接脚是由流进的电流量所控制。从50uA到100uA为‘PLAY’模式,而低于50uA的为‘MUTE’模式。建议不要让流进MUTE接脚的电流超出200uA。
输出偏置:LME49810有两个用来设定偏置的专用接脚(BIASP和BIASM),www.ssbbww.com提供www.hnygpx.com的输出偏置电流。可变电阻器Rpot可用8ttt8来调节输出级的偏置电流,将Rpot+ R b1的电阻降低www.ssbbww.com提高偏置电压。倍增器QMULT用来补偿偏置电压以防止双极输出晶体管出现wWw.热漂移。QMULT必须ssbbww. c om与输出晶体管连接在dddTt.com的散热器上。
输出晶体管:音讯功率放大器中最常见ssbbww的输出级是图3所示ssBbww的射极跟随器。它通常都被称为双射极跟随器或达林顿管。其中第一个跟随器会dddtt输出级的驱动器。
图3:输出射级跟随器。
射极跟随器的大讯号线性度主要取决于负载的大小。随着负载增加www.8 t tt8. com(即负载电阻减少),输出电流亦ssbbww. com会增加www.8 t tt8. com。受RE和位于高电流密度的β滚降的影响,BJT电流增益会减少。这种8 tt t 8. com下,可能www.ssBBww.cOm会降低线性度并增加www.8 t tt8. com在输出级的失真。对于
输出级晶体管放大匹配:双射极-跟随器或达林顿管通常都拥有一个高的电流增益系数Ic=βIb。dd dtt. com提高输出级的稳定性,负极端和正极端的电流放大必须ssbbww. c om匹配。
图4:射级负反馈电阻的应用。
对平行晶体管配置www.,必须ssbbww. c om确定中等功率晶体管的驱动能力。中等功率晶体管的输出电流(Ic)必须ssbbww. c om大于高功率晶体管的最小驱动电流(Ib)以免在中等功率晶体管级上出现wWw.过载。
输出晶体管的电压范围:VCBO和VCEO电压的最大范围必须ssbbww. c om大于电源电压的轨到轨范围。对于
射极电阻器RE:在高功率的音讯放大器应用中,输出晶体管的匹配性、电流平衡和保护对于
图5:音讯放大器的输出可配置结构。
改善交越失真的最有效方法便是减少RE的电阻。对于
输出网络:功率放大器最常用的输出网络为‘Zobel’,8 tt t8.com的输出网络都只有一个目标,这便是改善系统的稳定性。‘Zobel’网络的另一个功能是保护放大器的输出以免受到扬声器线圈内电感所影响。这里建议的‘Zobel’网络中电阻器和电容串联在一起,并且从放大器的输出连接到接地。
图6:专业级音讯放大器的输出匹配电路。
图6中电阻器的作用是在一个较高的频率下将电流限制,以减轻对电容的额定值
。电阻器的电阻值范围从4.7W到10W。大部份的8 tt t 8. com下,电容的值选定为0.1mF以减轻输出扬声器在高频时的负载效应。随着输出的电平增加www.8 t tt8. com,被撷取进入‘Zobel’网络的电流也随之会上升。因此www.8 t tt8. com,在任何 条件下输出网络中组件的额定功率都必须ssbbww. c om足够,建议为3W到5W。受到串联在一起的放大器输出阻抗、电缆阻抗及电感的影响,一个真实的扬声器频率响应会出呈现不平稳的特性,这比一个简单的并联电阻器和电容 。这种现象可能www.ssBBww.cOmwww.d dd tT. com高频不稳定性。在放大器的输出串联一个小线圈电感会增加www.8 t tt8. com稳定性。这种做法www.ssbbww.com将放大器与关联电容隔离,且不会在音讯频率下引致明显损耗。电感值SsbbwW.com是1到7mH。选用合适的电感值便可避免在某一负载阻抗下出现wWw.高频滚降。这里建议采用空心电感来避免出现wWw.磁饱和问题。此外,还建议加入一个跨越输出线圈的阻尼电阻以降低输出LC网络的Q系数、过冲和振铃现象。传统上还要采用有几个奥姆的绕线型阻尼电阻器来避免自感。电阻器越低,过冲和振铃的效果便越小。www.ddd tt. com输出电流的大小取决于输出功率和负载阻抗。因此www.8 t tt8. com应选用1W到5W额定的阻尼电阻器。
本文小结
随着高阶的音讯系统的市场发展,专业级的放大器
有更大的输出功率、更高的线性度和更高的稳定性。美国国家半导体音讯驱动可为工程师们带来