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音频器件/扬声器 |
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利用高电压音频驱动器设计高性能音频放大器的准则与思考 |
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作者：Kenneth Lee |
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引言：
无论是外观、款式、系统控制还是音质，音频放大器产品越来越先进。经验丰富的电子工程师正采用不同的电路来设计其理想的音频放大器。
现在许多传统高功率音频放大器的每通道输出功率在100瓦以上，并且大多采用离散的电路元件。因此，为了确保输出的稳定性和音效，工程师需要花很大精力对高保真音频放大器进行匹配和调节。
产品应用：
美国国家半导体向来擅长开发创新性的音频技术，并且将突破性的技术应用于新产品。最新推出的高电压的音频驱动器LME49810，可以协助设计人员更容易的开发出高性能音频系统。
高性能音频放大器LME49810可提供一个200V的峰峰值输出电压摆幅，并可驱动不同类型的输出级。这款设计简洁的集成电路可为音频系统提供更精简的设计，更高的稳定性和一致性。因此，可以极大的减少系统研发和生产时的离散组件匹配及调节工作。换句话说，LM49810能够提升效率和降低生产成本。
TO-247 15引线封装
LME49810最适合使用在高端的消费和专业级音频应用中，包括有源录音室监视器、超重低音扬声器、音频/视频接收器、商用扩音系统、非原厂音响、专业级混音器，分布式音频和吉他放大器等。此外，这款芯片也适用于各类高电压及低失真要求的工业用音频系统。
主要规格
·宽阔的工作电压范围 ±20V到±100V
·压摆率 50V/μs(典型值)
·输出驱动电流 600mA(典型值)
·电源纹波抑制比 (f=DC) 110dB(典型值)
·总谐波失真及噪声(f=1KHz) 0.0007(典型值)
利用LME49810设计音频放大器的建议
采用美国国家半导体的音频驱动器来设计高品质音频系统的方法有很多。在此，仅列举若干重要的建议。
输入级
输入级设计是放大器最关键的一环。通过来自反馈的信号进行相减，输入级会产生一个误差信号，然后把这个误差信号驱动到输出。该误差信号通常很小，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重要。受来自正输入端口和负输入端口的偏置电流的影响，输入阻抗的失配会导致输入偏移电压。该输入偏移电压将按照闭环增益放大，在输出端出现。
当然，LME49810的输入偏置电流很低，对于一般的应用来说，出现在输出的偏移电压可以忽略。
例如，LME49810的典型偏置电流为100nA，而输入阻抗失配为1KΩ。
对于一个典型有30倍闭环增益的放大器
由于LME49810的输入偏置电流很低，出现在输出的偏移电压在一般应用下都不会很明显。
假如希望进一步减少输出的偏移电压，便需要降低反馈和输入信号路径上的阻抗。这样就可以减少由输入偏置电流失衡引起的偏移。，但前提是必须确保前端有足够的驱动能力。
一般来说，通常采用的的音频输入设计有两种：交流或直流耦合输入。根据应用要求来选用合适的输入设计：
交流耦合输入的优点：
1. 来自前置放大器、滤波器级或编解码器级的放大器输入直流偏移一般都是零。
2. 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。
直流耦合输入的优点：
1. 无需使用大尺寸和昂贵的交流耦合电容器。
2. 不会出现由交流耦合电容器所产生的低频失真。
3. 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较高的稳定性和线性度。采用负反馈可防止放大器直流偏移电压出现饱和。一般来说，当放大器在高频工作时会出现相位位移，而较大的负反馈系数可减轻在高频时的不稳定性和振荡。
在离散的放大器系统中，高反馈系数将会引起很差的瞬态响应或高频不稳定性。然而，LME49810拥有一个较高的开环增益，因此它的闭环增益误差和电源纹波抑制会较小，可以最大化电路中的负反馈，从而提高系统的线性度。通常，建议采用30dB至40dB的电压增益。
通过设置输入电阻和反馈电阻，很容易就可以设定出负反馈系数
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。一般来说，要获得较高的稳定性补偿越大越好。可是，补偿越大，音频芯片的带宽和压摆率就越低，而较低的压摆率会使系统产生出较柔和的音频特性，相反较高的压摆率则可产生较清晰和真实的音频特性。
LME49810的密勒补偿是通过在 “Comp” 和 “BiasM” 引脚之间加插一个电容器来实现的。
压摆率与补偿电容器的关系
压摆率、补偿电容器
通过增加这两根引脚之间的电容值，补偿量和相位裕度便可获得提升。可是，这里不建议采用过高或过低电容值的电容器，最适合的电容范围是10p 到 100p。
此外，补偿电容器的等效串联电阻(ESR)应处于低水平，以避免电容器的等效串联电阻引发出潜在零点。在一般情况下，采用陶瓷电容器要比采用电解电容器的效果更好。
静音
MUTE引脚是由流进的电流量所控制。方法是用一个电阻器将参考电压连接到MUTE引脚以控制电流的大小。从50uA 到 100uA为 “PLAY”模式，而低于50uA的为 “MUTE”模式。
静音电流可从以下的算式计算出来：
可是，建议不要让流进MUTE引脚的电流超出200 uA。
静音控制、静音
输出偏置及输出级
输出偏置电路
LME49810有两根用来设定偏置的专用引脚(BIASP和BIASM)，可以提供一定的输出偏置电流。可变电阻器R pot 可用来调节输出级的偏置电流，将R pot+Rb1的电阻降低可以提高偏置电压。 倍增器QMULT用来补偿偏置电压以防止双极输出晶体管出现热漂移。
QMULT必须与输出晶体管连接在相同的散热器上。当温度上升时，Vbe会减小以降低偏置电压，较高的偏置电流可减少输出的交越失真，但同时会消耗较大的电流。
输出电晶体
音频功率放大器中最常见的输出级是下图所示的射极跟随器。它通常都被称为双射极跟随器或达林顿复合晶体管对。其中第一个跟随器会作为一个输出器件的驱动器。
射极跟随器的大信号线性度主要取决于负载的大小。随着负载增加(即负载电阻减少)，输出电流亦同时会增加。受RE(射极电阻)和位于高电流密度的beta 滚降的影响，BJT电流增益会减少。
这种情况下，可能会降低线性度并增加在输出级的失真。对于比较高功率的应用来说，建议采用多级输出来维持高电流和更佳的线性度。
LME49810音频驱动器拥有约50mA的输出电流，它可以根据要求配置成达林顿复合晶体管对或并行晶体管输出。
输出级晶体管放大匹配
双射极-跟随器或达林顿复合晶体管对通常都拥有一个高的电流增益系数Ic=ßIb
例如： MN2488 和 MP1620
为了提高输出级的稳定性，负极端和正极端的电流放大必须匹配。
输出级晶体管的电流匹配
对于并行晶体管配置来说，必须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过载。
例子：KSC2073(中等功率级)
例子：. FJL3415 (高功率级)
集电极电流、基极电流
输出晶体管的电压范围
采用输出晶体管首先要考虑到其电压范围，这样可确保系统的稳定性，并防止系统受到任何形式的损坏。
VCBO和VCEO 电压的最大范围必须大于电源电压的轨到轨范围。对于一个有+/-100V电压供应的放大器，晶体管的电压额定应该高一点以保证它能够在规定以内正常地运作。
集电极-基极电压、集电极-射极电压
从上表可看到，中等功率晶体管的基极和集极引脚在工作期间的电压约为Vee 或 Vcc的两倍。因此在选择晶体管时，必须确保晶体管的电压额定够高。
电阻器RE
在高功率的音频放大器应用中，输出晶体管的匹配性、电流平衡和保护对于功率放大器的线性度来说非常重要。
这里建议采用射极负反馈电阻器RE来改善输出晶体管的匹配性和电流平衡能力。因此，我们建议在实际的高功率音频放大器应用中加入这种电阻。
然而，将RE与输出晶体管串联在一起会降低放大器的线性度。电阻RE是交越失真的主要失真来源。当输出电晶体的一端关闭而另一端开启时便会出现这种失真。
因此，必须优化RE值并且尽可能的将RE值维持在较低水平，这样可以降低对非线性度的影响。
因此，改善交越失真的最有效方法便是减少RE的电阻。对于相同数值的RE，一个并行形式的输出可降低用来改善线性度的整体RE电阻值。同时，假如每一个级的RE都较大，那便可为输出晶体管带来更佳的匹配性和电流平衡。
此外，RE也关系到输出的功率损耗。对于一个相同的RE，较大的输出电流会导致较大的功率损耗。RE的值取决于并联输出晶体管的数量和扬声器的负载。
一般来说，可采用有足够功率的0.1到0.5Ω电阻器。
RE 的消耗功率可从这条数式计算出来：RxI²=W Eg. 0.1Ohm x 5A² =2.5W
等效RE
此外，RE电阻是开环输出阻抗的主要成份。闭环输出阻抗由开环输出阻抗和负反馈系数来定义，其关系如下：
例如：平均开环输出阻抗为200mΩ，负反馈系数为29dB或28倍。这样，我们便可预期闭环输出阻抗约为7mΩ。在一般情况下，闭环阻抗最好比扬声器系统的阻抗低很多，以便尽量提升线性度。
典型的功率放大器闭环输出阻抗可低至10mΩ到 50mΩ，对于某些负反馈系数来说，需要把RE尽量调低。
输出网络
功率放大器最常用的输出网络为 “Zobel”，下图表示出其典型的元件数值。
所有的输出网络都只有一个目标，这便是改善系统的稳定性。这里建议的 “Zobel” 网络中电阻器和电容器串联在一起，并且从放大器的输出连接到接地。
图中电阻器的作用是在一个较高的频率下将电流限制，以减轻对电容器的额定值要求。电阻器的电阻值范围从4.7Ω 到 10Ω。大部份的情况下，电容器的值选定为0.1μF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，被提取进入“Zobel”网络的电流也随之会上升。因此，在任何条件下输出网络中元件的额定参数都必须足够。
例如：假设输出摆幅为20 Vrms，那“Zobel” 网络在20kHz下应会消耗248mA或0.62W。可是，为了确保组件能在一段短时间的高功率和高频下工作，因此“Zobel”组件的功率额定一般都建议为3W到5W。
“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。
由于一个扬声器的真实负载阻抗比起一个简单的并行电阻器和电容器要复杂得多。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，一个真实的扬声器的频率响应会出呈现不平稳的特性。这种现象可能导致高频不稳定性。
在放大器的输出串联一个小线圈电感器会增加稳定性。这种做法可以将放大器与关联电容器隔离，并且不会在音频的频率下引致明显的损耗。
电感器的值一般是1到7μH。选用合适的电感器值便可避免在某一负载阻抗下出现高频滚降。
这里建议采用空心电感器来避免出现磁饱和的潜在问题。
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。
传统上会采用有几个欧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。
由于输出电流的大小取决于输出功率和负载阻抗。因此应选用1W到5W额定的阻尼电阻器。
这是LME49810的参考电路设计
电路参考信息：
负反馈系数请参考数式1
6.8k/249 = 27.8V/V →29dB.
补偿电容器为 12p → 压摆率约为 40V/us.
静音控制请参考数式2 12V Zener 二极管钳位静音电压
(12-0.7)/120k+10k = 96uA ,用以控制流入静音引脚的电流
通过改动200k RP1来调节偏置电压
晶体管NTE373
集电极电流、连续、峰值
晶体管 MJW1302/2381
电阻器 RE,
一般来说可采用由0.1欧姆到0.5欧姆并带有足够额定功率的电阻器。对于2到3级的并行录音带驱动器建议采用0.25欧姆的电阻。
输出 RC,, 通过1/2пRC 1/2п(4.44)(0.1u) = 358kHz, 执行高频滤波
参考电路板
使用输出晶体管NTE373/374和 MJW3281A/1302A的LME49810驱动
电路板的正面
电路板的前端:
参考图表
总谐波失真及噪声与输出功率的参考图表，输入电源范围为+/-70V 。(在150W时的总谐波失真及噪声为0.002%，而在50W至200W的总谐波失真及噪声为0.005% 以下)
配合输出晶体管NTE373/374和 MJW3281A/1302A
总谐波失真与频率的参考图表，输入电源范围为+/-70V 。(180W输出，在整个音频频率的范围内的总谐波失真低于0.005%)
配合输出晶体管NTE373/374和 MJW3281A/1302A
结论
在业内有几种不同的配置方法用来设计音频放大器。美国国家半导体特别针对这个应用提供了一系列的音频驱动器芯片。采用这些芯片，系统设计简单，性能强、稳定性高，特别适合音频系统应用。此外，在芯片的设计上兼顾了理论和实际应用的需求，可以为音频系统带来全新的高性能和高稳定性。
随着高端的音频系统的市场发展，专业级的放大器要求有更大的输出功率、更高的线性度和更高的稳定性。美国国家半导体音频驱动可为工程师们带来更有价值的设计，使他们可创造出更多高性能和高度稳定的音频放大器系统。(end)
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(12/4/2008) |
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