現(xiàn)在許多傳統(tǒng)高功率音訊放大器的每通道輸出功率在100瓦以上,，并且大多采用分離式的電路組件,。因此，為了確保輸出的穩(wěn)定性和音效，工程師通常需要花很大精力對(duì)高傳真音訊放大器進(jìn)行匹配和調(diào)節(jié),。
本文以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的音訊驅(qū)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(qū)動(dòng)不同類型的輸出級(jí),，適合高階消費(fèi)和 專業(yè)級(jí)音訊應(yīng)用，包括主動(dòng)錄音室監(jiān)視器,、超重低音揚(yáng)聲器,、音訊/視訊接收器、商用擴(kuò)音系統(tǒng),、非原廠音響,、專業(yè)級(jí)混音器，分布式音訊和吉他放大器等,。此外,， 也適用于各類高電壓及低失真要求的產(chǎn)業(yè)用音訊系統(tǒng)?？蔀橐粲嵪到y(tǒng)提供更精簡(jiǎn)的設(shè)計(jì),，協(xié)助設(shè)計(jì)人員更容易的開發(fā)出高性能音訊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更高的穩(wěn)定性和一致 性,，大幅減少系統(tǒng)研發(fā)和生產(chǎn)時(shí)的分離式組件匹配及調(diào)節(jié)工作,。
設(shè)計(jì)技巧
采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的音訊驅(qū)動(dòng)器來(lái)設(shè)計(jì)高質(zhì)量音訊系統(tǒng)的方法有很多。以下為設(shè)計(jì)建議。
輸入級(jí)：輸入級(jí)設(shè)計(jì)是放大器最關(guān)鍵的一環(huán),。透過(guò)來(lái)自反饋的訊號(hào)進(jìn)行相減,，輸入級(jí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)誤差訊號(hào)，然后把這個(gè)誤差訊號(hào)驅(qū)動(dòng)到輸出,。該誤差訊號(hào)通常很小,，足以為放大器提供足夠的線性度。
LME49810是一款雙極輸入放大器,，其輸入阻抗的匹配性相當(dāng)重要,。受來(lái)自正輸入埠和負(fù)輸入埠的偏置電流的影響，輸入阻抗的失配會(huì)導(dǎo)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(dāng)然，LME49810的輸入偏置電流很低,，對(duì)于一般的應(yīng)用來(lái)說(shuō),，出現(xiàn)在輸出的偏移電壓可以忽略。
一般來(lái)說(shuō),，通常采用的的音訊輸入設(shè)計(jì)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(jí)或編譯碼器級(jí)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(xiàn)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。
圖1：輸入級(jí)和反饋應(yīng)用示意圖,。
負(fù)反饋系數(shù)：功率放大器的負(fù)反饋設(shè)置可為系統(tǒng)帶來(lái)較高的穩(wěn)定性和線性度,。當(dāng)放大器在高頻工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)相位位移，而較大的負(fù)反饋系數(shù)可減輕在高頻時(shí)的不穩(wěn)定 性和振蕩,。在分離放大器系統(tǒng)中,，高反饋系數(shù)將會(huì)引起很差的瞬態(tài)響應(yīng)或高頻不穩(wěn)定性。然而,，LME49810擁有一個(gè)較高的開環(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(fù)反饋,，因而提高系統(tǒng)的線性度。通常,，建議采用30dB至40dB的電壓增益,。
補(bǔ)償：放大器的補(bǔ)償是用來(lái)調(diào)節(jié)開環(huán)增益和相位性能,，以便當(dāng)反饋被關(guān)閉時(shí)能把系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。一般來(lái)說(shuō),，要獲得較高的穩(wěn)定性補(bǔ)償越大越好,。可是,，補(bǔ)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(tǒng)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(bǔ)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(xiàn)的，最適合的電容取值范圍是10p到100p,。此外,，補(bǔ)償電容的等效串聯(lián)電阻 (ESR)應(yīng)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。
圖2：輸出偏置電路結(jié)構(gòu)。
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(shè)定偏置的專用接腳(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(diào)節(jié)輸出級(jí) 的偏置電流,，將Rpot+ R b1的電阻降低可以提高偏置電壓。倍增器QMULT用來(lái)補(bǔ)償偏置電壓以防止雙極輸出晶體管出現(xiàn)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(jí)是圖3所示的射極跟隨器,。它通常都被稱為雙射極跟隨器或達(dá)林頓管,。其中第一個(gè)跟隨器會(huì)作為輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)器。
圖3：輸出射級(jí)跟隨器,。 射極跟隨器的大訊號(hào)線性度主要取決于負(fù)載的大小。隨著負(fù)載增加(即負(fù)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)降低線性度并增加在輸出級(jí)的失真。對(duì)于比較高功率的應(yīng)用來(lái)說(shuō),，建議采用多級(jí)輸出來(lái)維持高電流和更佳的線性度,。 LME49810音訊驅(qū)動(dòng)器擁有約50mA的輸出電流，它可以根據(jù)要求配置成達(dá)靈頓管或平行晶體管輸出,。 輸出級(jí)晶體管放大匹配：雙射極-跟隨器或達(dá)林頓管通常都擁有一個(gè)高的電流增益系數(shù)Ic=βIb,。為了提高輸出級(jí)的穩(wěn)定性，負(fù)極端和正極端的電流放大必須匹配,。 圖4：射級(jí)負(fù)反饋電阻的應(yīng)用,。 對(duì)平行晶體管配置來(lái)說(shuō)，必須確定中等功率晶體管的驅(qū)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(qū)動(dòng)電流(Ib)以免在中等功率晶體管級(jí)上出現(xiàn)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(duì)于一個(gè)有+/-100V電壓供應(yīng)的放大器,，晶體管的電壓額定應(yīng)該高一點(diǎn)以保證它能夠在規(guī)定以內(nèi)正常地運(yùn)作,。 射極電阻器RE：在高功率的音訊放大器應(yīng)用中，輸出晶體管的匹配性,、電流平衡和保護(hù)對(duì)于功率放大器的線性度來(lái)說(shuō)非常重要,。建議采用射極負(fù)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(yīng)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 線性度,。電阻RE是交越失真的主要失真來(lái)源,。當(dāng)輸出晶體管的一端關(guān)閉而另一端開啟時(shí)便會(huì)出現(xiàn)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(duì)非線性度的影響,。 圖5：音訊放大器的輸出可配置結(jié)構(gòu),。 改善交越失真的最有效方法便是減少RE的電阻。對(duì)于相同數(shù)值的RE,，一個(gè)平行形式的輸出可降低用來(lái)改善線性度的整體RE電阻值,。同時(shí),，假如每一個(gè)級(jí)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(duì)于一個(gè)相同的RE,，較大的輸出電流會(huì)導(dǎo)致較大的功率損耗,。 RE的值取決于并聯(lián)輸出晶體管的數(shù)量和揚(yáng)聲器的負(fù)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(biāo)，這便是改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。 ‘Zobel’網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)功能是保護(hù) 放大器的輸出以免受到揚(yáng)聲器線圈內(nèi)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,。 在放大器的輸出串聯(lián)一個(gè)小線圈電感會(huì)增加穩(wěn)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(fù)載阻抗下出現(xiàn)高頻滾降,。這里建議采用空心電感來(lái)避免出現(xiàn)磁飽和問(wèn)題。此外,，還建議加入一個(gè)跨越輸出線圈的阻尼電阻以降低輸出 LC網(wǎng)絡(luò)的Q系數(shù),、過(guò)沖和振鈴現(xiàn)象。傳統(tǒng)上還要采用有幾個(gè)奧姆的繞線型阻尼電阻器來(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(fù)載阻抗,。因此應(yīng)選用1W到5W額定的阻尼電阻器,。 隨著高階的音訊系統(tǒng)的市場(chǎng)發(fā)展，專業(yè)級(jí)的放大器要求有更大的輸出功率,、更高的線性度和更高的穩(wěn)定性,。
圖6：專業(yè)級(jí)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(duì)電Ω,。大部份的情況下,，電容的值選定為0.1μF以減輕輸出揚(yáng)聲器在高頻時(shí)的負(fù)載效應(yīng)。隨著 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(yáng)聲器頻率響應(yīng)會(huì)出呈現(xiàn)不平穩(wěn)的特性,，這比一個(gè)簡(jiǎn)單的并聯(lián)電阻器和電容復(fù)雜。這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致 高頻不穩(wěn)定性,。