- 高性能音頻放大器的設計準則與技巧
- 功率放大器的負反饋設置可為系統帶來(lái)較高的穩定性和線(xiàn)性度
- 放大器的補償是用來(lái)調節開(kāi)環(huán)增益和相位性能
- 射極跟隨器的大訊號線(xiàn)性度主要取決于負載的大小
本文以美國國家半導體的音訊驅動(dòng)器LME49810為例進(jìn)行說(shuō)明，該組件可提供200V的峰峰值輸出電壓擺幅，并可驅動(dòng)不同類(lèi)型的輸出級，適合高階消費和專(zhuān)業(yè)級音訊應用，包括主動(dòng)錄音室監視器、超重低音揚聲器、音訊/視訊接收器、商用擴音系統、非原廠(chǎng)音響、專(zhuān)業(yè)級混音器，分布式音訊和吉他放大器等。此外，也適用于各類(lèi)高電壓及低失真要求的產(chǎn)業(yè)用音訊系統?？蔀橐粲嵪到y提供更精簡(jiǎn)的設計，協(xié)助設計人員更容易的開(kāi)發(fā)出高性能音訊系統，實(shí)現更高的穩定性和一致性，大幅減少系統研發(fā)和生產(chǎn)時(shí)的分離式組件匹配及調節工作。
設計技巧
采用美國國家半導體的音訊驅動(dòng)器來(lái)設計高質(zhì)量音訊系統的方法有很多。以下為設計建議。
輸入級：輸入級設計是放大器最關(guān)鍵的一環(huán)。透過(guò)來(lái)自反饋的訊號進(jìn)行相減，輸入級會(huì )產(chǎn)生一個(gè)誤差訊號，然后把這個(gè)誤差訊號驅動(dòng)到輸出。該誤差訊號通常很小，足以為放大器提供足夠的線(xiàn)性度。
LME49810是一款雙極輸入放大器，其輸入阻抗的匹配性相當重要。受來(lái)自正輸入埠和負輸入埠的偏置電流的影響，輸入阻抗的失配會(huì )導致輸入偏移電壓。該輸入偏移電壓將按照死循環(huán)增益放大。當然，LME49810的輸入偏置電流很低，對于一般的應用來(lái)說(shuō)，出現在輸出的偏移電壓可以忽略。
圖1：輸入級和反饋應用示意圖。
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一般來(lái)說(shuō)，通常采用的的音訊輸入設計有兩種：交流或直流耦合輸入。交流耦合輸入的優(yōu)點(diǎn)是來(lái)自前置放大器、濾波器級或編譯碼器級的放大器輸入直流偏移一般都是零，且無(wú)需在放大器中加入任何的直流伺服電路來(lái)防止直流故障。而直流耦合輸入的優(yōu)點(diǎn)則是無(wú)需使用大尺寸和昂貴的交流耦合電容；不會(huì )出現由交流耦合電容所產(chǎn)生的低頻失真；可減輕交流耦合RC網(wǎng)絡(luò )的噪聲。
負反饋系數：功率放大器的負反饋設置可為系統帶來(lái)較高的穩定性和線(xiàn)性度。當放大器在高頻工作時(shí)會(huì )出現相位位移，而較大的負反饋系數可減輕在高頻時(shí)的不穩定性和振蕩。在分離放大器系統中，高反饋系數將會(huì )引起很差的瞬態(tài)響應或高頻不穩定性。然而，LME49810擁有一個(gè)較高的開(kāi)環(huán)增益，因此它的死循環(huán)增益誤差和電源紋波抑制會(huì )較小，可以最大化電路中的負反饋，因而提高系統的線(xiàn)性度。通常，建議采用30dB至40dB的電壓增益。
圖2：輸出偏置電路結構。
補償：放大器的補償是用來(lái)調節開(kāi)環(huán)增益和相位性能，以便當反饋被關(guān)閉時(shí)能把系統穩定下來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，要獲得較高的穩定性補償越大越好?？墒?，補償越大，音訊芯片的頻寬和壓擺率就越低，而較低的壓擺率會(huì )使系統產(chǎn)生出較柔和的音訊特性，相反較高的壓擺率則可產(chǎn)生較清晰和真實(shí)的音訊特性。LME49810的密勒補償是透過(guò)在‘Comp’和‘BiasM’接腳之間加插一個(gè)電容來(lái)實(shí)現的，最適合的電容取值范圍是10p到100p。此外，補償電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)應較低，以避免電容的等效串聯(lián)電阻引發(fā)潛在零點(diǎn)。在一般情況下，采用陶瓷電容要比采用電解電容的效果更好。
靜音：MUTE接腳是由流進(jìn)的電流量所控制。從50uA到100uA為‘PLAY’模式，而低于50uA的為‘MUTE’模式。建議不要讓流進(jìn)MUTE接腳的電流超出200uA。
輸出偏置：LME49810有兩個(gè)用來(lái)設定偏置的專(zhuān)用接腳(BIASP和BIASM)，可以提供一定的輸出偏置電流?？勺冸娮杵鱎pot可用來(lái)調節輸出級的偏置電流，將Rpot+Rb1的電阻降低可以提高偏置電壓。倍增器QMULT用來(lái)補償偏置電壓以防止雙極輸出晶體管出現熱漂移。QMULT必須與輸出晶體管連接在相同的散熱器上。
輸出晶體管：音訊功率放大器中最常見(jiàn)的輸出級是圖3所示的射極跟隨器。它通常都被稱(chēng)為雙射極跟隨器或達林頓管。其中第一個(gè)跟隨器會(huì )作為輸出級的驅動(dòng)器。
圖3：輸出射級跟隨器。
射極跟隨器的大訊號線(xiàn)性度主要取決于負載的大小。隨著(zhù)負載增加(即負載電阻減少)，輸出電流亦同時(shí)會(huì )增加。受RE和位于高電流密度的β滾降的影響，BJT電流增益會(huì )減少。這種情況下，可能會(huì )降低線(xiàn)性度并增加在輸出級的失真。對于比較高功率的應用來(lái)說(shuō)，建議采用多級輸出來(lái)維持高電流和更佳的線(xiàn)性度。LME49810音訊驅動(dòng)器擁有約50mA的輸出電流，它可以根據要求配置成達靈頓管或平行晶體管輸出。
輸出級晶體管放大匹配：雙射極-跟隨器或達林頓管通常都擁有一個(gè)高的電流增益系數Ic=βIb。為了提高輸出級的穩定性，負極端和正極端的電流放大必須匹配。
圖4：射級負反饋電阻的應用。
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對平行晶體管配置來(lái)說(shuō)，必須確定中等功率晶體管的驅動(dòng)能力。中等功率晶體管的輸出電流(Ic)必須大于高功率晶體管的最小驅動(dòng)電流(Ib)以免在中等功率晶體管級上出現過(guò)載。
輸出晶體管的電壓范圍：VCBO和VCEO電壓的最大范圍必須大于電源電壓的軌到軌范圍。對于一個(gè)有+/-100V電壓供應的放大器，晶體管的電壓額定應該高一點(diǎn)以保證它能夠在規定以?xún)日５剡\作。
射極電阻器RE：在高功率的音訊放大器應用中，輸出晶體管的匹配性、電流平衡和保護對于功率放大器的線(xiàn)性度來(lái)說(shuō)非常重要。建議采用射極負反饋電阻器RE來(lái)改善輸出晶體管的匹配性和電流平衡能力。因此，我們建議在實(shí)際的高功率音訊放大器應用中加入這種電阻。然而，將RE與輸出晶體管串聯(lián)在一起會(huì )降低放大器的線(xiàn)性度。電阻RE是交越失真的主要失真來(lái)源。當輸出晶體管的一端關(guān)閉而另一端開(kāi)啟時(shí)便會(huì )出現這種失真。因此，必須最佳化RE值并且盡可能的將RE維持在較低水平，這樣可以降低對非線(xiàn)性度的影響。
圖5：音訊放大器的輸出可配置結構。
改善交越失真的最有效方法便是減少RE的電阻。對于相同數值的RE，一個(gè)平行形式的輸出可降低用來(lái)改善線(xiàn)性度的整體RE電阻值。同時(shí)，假如每一個(gè)級的RE都較大，那便可為輸出晶體管帶來(lái)更佳的匹配性和電流平衡。此外，RE也關(guān)系到輸出的功率損耗。對于一個(gè)相同的RE，較大的輸出電流會(huì )導致較大的功率損耗。RE的值取決于并聯(lián)輸出晶體管的數量和揚聲器的負載。建議采用足夠功率的0.1到0.5Ω電阻器。
輸出網(wǎng)絡(luò )：功率放大器最常用的輸出網(wǎng)絡(luò )為‘Zobel’，所有的輸出網(wǎng)絡(luò )都只有一個(gè)目標，這便是改善系統的穩定性。‘Zobel’網(wǎng)絡(luò )的另一個(gè)功能是保護放大器的輸出以免受到揚聲器線(xiàn)圈內電感所影響。這里建議的‘Zobel’網(wǎng)絡(luò )中電阻器和電容串聯(lián)在一起，并且從放大器的輸出連接到接地。
圖6：專(zhuān)業(yè)級音訊放大器的輸出匹配電路。
圖6中電阻器的作用是在一個(gè)較高的頻率下將電流限制，以減輕對電容的額定值要求。電阻器的電阻值范圍從4.7Ω到10Ω。大部份的情況下，電容的值選定為0.1μF以減輕輸出揚聲器在高頻時(shí)的負載效應。隨著(zhù)輸出的電平增加，被擷取進(jìn)入‘Zobel’網(wǎng)絡(luò )的電流也隨之會(huì )上升。因此，在任何條件下輸出網(wǎng)絡(luò )中組件的額定功率都必須足夠，建議為3W到5W。受到串聯(lián)在一起的放大器輸出阻抗、電纜阻抗及電感的影響，一個(gè)真實(shí)的揚聲器頻率響應會(huì )出呈現不平穩的特性，這比一個(gè)簡(jiǎn)單的并聯(lián)電阻器和電容復雜。這種現象可能導致高頻不穩定性。
在放大器的輸出串聯(lián)一個(gè)小線(xiàn)圈電感會(huì )增加穩定性。這種做法可以將放大器與關(guān)聯(lián)電容隔離，且不會(huì )在音訊頻率下引致明顯損耗。電感值一般是1到7μH。選用合適的電感值便可避免在某一負載阻抗下出現高頻滾降。這里建議采用空心電感來(lái)避免出現磁飽和問(wèn)題。此外，還建議加入一個(gè)跨越輸出線(xiàn)圈的阻尼電阻以降低輸出LC網(wǎng)絡(luò )的Q系數、過(guò)沖和振鈴現象。傳統上還要采用有幾個(gè)奧姆的繞線(xiàn)型阻尼電阻器來(lái)避免自感。電阻器越低，過(guò)沖和振鈴的效果便越小。由于輸出電流的大小取決于輸出功率和負載阻抗。因此應選用1W到5W額定的阻尼電阻器。
隨著(zhù)高階的音訊系統的市場(chǎng)發(fā)展，專(zhuān)業(yè)級的放大器要求有更大的輸出功率、更高的線(xiàn)性度和更高的穩定性。美國國家半導體音訊驅動(dòng)可為工程師們帶來(lái)更有價(jià)值的設計，使他們可創(chuàng )造出更多高性能和高度穩定的音訊放大器系統
