高性能音頻放大器的設(shè)計(jì)規(guī)則與技巧

高性能音頻放大器的設(shè)計(jì)規(guī)則與技巧

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)。

　　本文以美國國家半導(dǎo)體的音訊驅(qū)動(dòng)器LME49810為例進(jìn)行說明，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)。可為音訊系統(tǒng)提供更精簡的設(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

　　采用美國國家半導(dǎo)體的音訊驅(qū)動(dòng)器來設(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)。透過來自反饋的訊號(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)用來說，出現(xiàn)在輸出的偏移電壓可以忽略。

　　圖1：輸入級(jí)和反饋應(yīng)用示意圖。

　　一般來說，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，且無需在放大器中加入任何的直流伺服電路來防止直流故障。而直流耦合輸入的優(yōu)點(diǎn)則是無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。

　　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。

　　圖2：輸出偏置電路結(jié)構(gòu)。

　　補(bǔ)償：放大器的補(bǔ)償是用來調(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。一般來說，要獲得較高的穩(wěn)定性補(bǔ)償越大越好?？墒?，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)償是透過在‘Comp’和‘BiasM’接腳之間加插一個(gè)電容來實(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。

　　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?a target="_blank">電阻器Rpot可用來調(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)用來說，建議采用多級(jí)輸出來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)平行晶體管配置來說，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)過載。