本篇文章中電在于在高電壓范圍的揚聲器輸出電流監控電路工作，該電路使用的主要器件是D類(lèi)放大器、差動(dòng)放大器AD8479和ADA4805-1。電路中的電流信息可提供有關(guān)電路狀況的有用信息。電流監控電路廣泛用于各種儀器儀表領(lǐng)域，以便實(shí)現保護、補償和控制。電流監控的常見(jiàn)應用有電池監控系統、電機控制、過(guò)流保護和4 mA至20 mA系統，等等。此外，電流監控在音頻等商業(yè)應用中也很有用。此類(lèi)應用之一是監控音頻放大器輸出到揚聲器的電流，以便提供音質(zhì)補償和保護。

 

音頻放大器必須以高效率、低失真的方式再現輸入音頻信號。在20 Hz到20 kHz音頻頻率范圍內，它應具有良好的頻率響應性能，以便忠實(shí)地再現聲音和音樂(lè )。音頻放大器可能需要提供從數毫瓦（用于個(gè)人音樂(lè )播放器和耳機）到數百瓦（家用和商用音響系統，如劇院、會(huì )堂、室外音響系統等）不等的輸出功率。本文聚焦于工作在高電壓范圍的揚聲器輸出電流監控電路，該電路使用的主要器件是D類(lèi)放大器、差動(dòng)放大器AD8479和ADA4805-1。

 

基本的D類(lèi)放大器信號流程

 

音頻放大器分為多個(gè)類(lèi)別：A類(lèi)、AB類(lèi)、B類(lèi)和D類(lèi)。與其他類(lèi)別放大器相比，D類(lèi)放大器效率最高，可提供高輸出功率驅動(dòng)。某些商用D類(lèi)放大器提供每通道1500 W到每通道6000 W的功率能力。

 

D類(lèi)放大器可以簡(jiǎn)單地描述為開(kāi)關(guān)放大器或脈寬調制（PWM）放大器。下圖顯示了一個(gè)基本D類(lèi)放大器的信號流程。

 

典型D類(lèi)放大器的工作過(guò)程是從比較器開(kāi)始。一個(gè)頻率通常介于20 Hz到20 kHz的標準模擬音頻信號與一個(gè)高頻三角波形比較以產(chǎn)生PWM信號。隨后，PWM信號驅動(dòng)輸出晶體管，產(chǎn)生一系列電壓可能很高的脈沖。最后，一個(gè)低通濾波器恢復正弦音頻信號。不切換時(shí)，通過(guò)輸出晶體管的電流為0；低導通電阻降低I2R損耗，從而顯著(zhù)減少輸出級的總功率損耗。這樣便可實(shí)現高效率。

基于A(yíng)D8479和ADA4805-1電流監控電路設計

 

即使D類(lèi)放大器具有高效率和高功率運行優(yōu)勢，某些技術(shù)仍能改善音頻質(zhì)量，例如使用反饋和預失真機制。下圖顯示了一個(gè)使用反饋機制的基本D類(lèi)放大器。在反饋機制中，輸出信號（通常來(lái)自濾波器）被送至輸入端的誤差校正模塊。誤差校正模塊可以是全模擬式，或者采用數字處理故意使音頻信號預失真，從而校正輸出瑕疵并改善音頻輸出質(zhì)量。除了揚聲器的固有非線(xiàn)性之外，揚聲器阻抗因為溫度和老化而變化的趨向也可能引起這種瑕疵。

 

使用反饋機制的基本D類(lèi)放大器

 

電流監控電路可以獲取要反饋的數據進(jìn)行誤差校正。選擇適合這種用途的器件的挑戰在于：器件必須足夠魯棒以便接收音頻放大器輸出端的高壓脈沖。AD8479可以滿(mǎn)足這一要求，因為即使存在高輸入共模電壓，它也能工作。電路中還加入了ADA4805-1，作為低失調、低噪聲的模數轉換器（ADC）驅動(dòng)器。

 

AD8479是一款精密差動(dòng)放大器，即使存在高達±600 V的共模電壓，它也能精確測量差分信號。圖3所示的輸入共模電壓與輸出電壓的關(guān)系曲線(xiàn)表明了這種能力。它具有以下特性：低失調電壓、低失調電壓漂移、低增益誤差漂移、出色的共模抑制比（CMRR）和寬頻率范圍。在本應用筆記中，AD8479配置為高端電流檢測放大器，用于監控D類(lèi)音頻放大器的電流。AD8479同時(shí)具有130 kHz的帶寬，可滿(mǎn)足音頻應用的帶寬需求。

 

采用AD8479和ADA4805-1的電流監控電路

 

ADA4805-1是一款低輸入失調電壓和低輸入失調電壓漂移軌到軌放大器。ADA4805-1的增益設置為10，產(chǎn)生的輸出電壓通常在下一級的輸入電壓范圍內。下一級通常使用逐次逼近型（SAR） ADC來(lái)處理音頻信號。所用的D類(lèi)放大器為一款25 W到500 W可擴展輸出功率D類(lèi)功率放大器。該放大器配置±50 V電源電壓，提供1 kHz正弦輸出。AD8479輸出饋送到ADA4805-1輸入，后者用作ADC驅動(dòng)器，增益為10。電阻容差應較低，以免電路產(chǎn)生較大失調漂移。

 

對于本電路所用的D類(lèi)放大器，流經(jīng)檢測電阻（RSENSE）的電流為4.74 A，產(chǎn)生475.71 mV峰值的滿(mǎn)量程電壓。共模電壓為37.9 V峰值。

 

電流監控的主要誤差源分析

 

CMRR表示器件抑制各輸入端共模干擾信號的能力。數學(xué)上，它指共模增益變化與差分增益之比。如果存在高共模電壓，尤其是當測量小差分信號時(shí)，此參數常常是最大的誤差貢獻因素之一。CMRR產(chǎn)生一個(gè)對應的輸出失調電壓誤差，該誤差是系統總誤差的一部分。AD8479的額定CMRR為96 dB。另一個(gè)誤差源是失調電壓。滿(mǎn)量程信號越小，失調電壓貢獻的誤差越大。

 

AD8479的輸入失調電壓為1 mV，轉換為ppm時(shí)，貢獻滿(mǎn)量程（FS）的2102 ppm。ADA4805-1引入125 μV失調電壓，其乘以增益10，故而失調電壓引起的總誤差為滿(mǎn)量程（FS）的3352 ppm。此外，數據手冊顯示AD8479具有0.02% FS的增益誤差，因而AD8479給電路帶來(lái)的誤差為200 ppm FS。

 

表1和表2分別匯總了AD8479和ADA4805-1的主要誤差源。AD8479失調電壓貢獻的誤差最大，在37.9 V輸入共模電壓下，其為2102 ppm FS。共模電壓貢獻的誤差為1262 ppm FS。這里，對于37.9 V共模電壓和0.1 檢測電阻（參見(jiàn)圖1），失調電壓貢獻的誤差最大，輸入共模電壓次之，不過(guò)，如果共模電壓更大，它將成為最大的誤差來(lái)源。例如，在250 V共

 

模電壓下，共模誤差貢獻為8329 ppm FS。對于高電壓D類(lèi)放大器，這種共模電壓是很常見(jiàn)的。此外，檢測電阻越大，其引起的壓降越大，導致滿(mǎn)量程電壓提高，這最終會(huì )降低所有誤差貢獻。

 

 

下圖顯示了電流檢測電路的響應測試結果。其中還包括AD8479的輸入電壓、AD8479的輸出電壓和ADA4805-1輸出端的放大信號。大約4.74 A的電流流入檢測電阻和負載。反相輸入端信號約為±38 V，大約±500 mV出現在A(yíng)D8479輸出端，這顯示了AD8479在高共模電壓存在的情況下測量差分信號的能力。

 

實(shí)測電流和電壓

 

實(shí)時(shí)監控不僅需要高精度器件，還要求快速響應，以便應對目標電流的突然變化。輸出信號的變化速度必須跟得上輸入信號的變化速度，這就需要在很短的時(shí)間內正確解讀揚聲器的電氣狀態(tài)，甚至短路事件。

 

總結

 

D類(lèi)音頻放大器的電流監控電路需要魯棒且合適的器件來(lái)提供精確測量。AD8479的高輸入共模電壓范圍為測量D類(lèi)音頻放大器的典型信號輸出提供了必要的條件。此外，AD8479和ADA4805-1具有充足的帶寬來(lái)滿(mǎn)足音頻頻段的工作要求。這些因素加上出色的失調、增益和CMRR特性，使得由它們構成的電流監控電路可在此類(lèi)應用中提供高精度測量。