消除熱遲滯和偏置調(diào)整的音頻放大電路設(shè)計方法

本文介紹了采用安森美ThermalTrak器件消除高保真度大功率音頻放大器中的熱遲滯和偏置調(diào)整的新設(shè)計方法。

對于設(shè)計高保真音頻放大器而言，一直以來存在的挑戰(zhàn)是保持輸出偏置，同時在放大器的整個工作溫度范圍內(nèi)將熱穩(wěn)定性保持在AB輸出部分內(nèi)。為了充分地監(jiān)控并調(diào)節(jié)每個輸出器件產(chǎn)生的熱量，設(shè)計工程師在靠近輸出器件的散熱器上放置一個偏置晶體管(或多個晶體管) 。這種設(shè)計方法的缺點是在達(dá)到熱穩(wěn)定之前不可避免會有延遲，在某些情況下，這種預(yù)熱時間會長達(dá)30分鐘。另外，放大器設(shè)計需要使用輕微欠偏置輸出器件來進(jìn)一步調(diào)整，避免熱散失。雖然這些可行的設(shè)計技術(shù)能完成設(shè)計任務(wù)，但是會犧牲真正的高保真度性能。

圖1：標(biāo)準(zhǔn)單通道音頻放大器方案。

消除大功率音頻放大器中的熱遲滯和偏置調(diào)整需要更精確的偏置控制，而挑戰(zhàn)就在此處。圖1所示的高性能放大器電路是目前業(yè)內(nèi)使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。該設(shè)計已經(jīng)修改，以提高低阻抗負(fù)載中的性能并保持穩(wěn)定。

實際的偏置電路由一個位于驅(qū)動器(TO-220)之間散熱器上的小信號晶體管組成，這種設(shè)計的偏置穩(wěn)定性要求偏置設(shè)置在避免產(chǎn)生熱散失且不低于產(chǎn)生交越失真(crossover distortion)的點上。偏置晶體管上的實際壓降被設(shè)置在發(fā)射極和集電極之間的3.2伏。不僅如此，當(dāng)放大器驅(qū)動到低阻抗負(fù)載時，會發(fā)生少量熱散失，這是由散熱器中少量的熱遲滯引起的。為了改善放大器的小信號失真，需要稍微增大偏置。

由于輸出器件的發(fā)射極電阻最小(0.1Ω) ，使得在生產(chǎn)環(huán)境中難以處理，因為偏置稍大就產(chǎn)生一個熱“炸彈”。目前業(yè)界實現(xiàn)了很多種電路用于減小這種熱效應(yīng)，但都會增加系統(tǒng)成本。

新的設(shè)計方法(圖2)可用于消除熱遲滯，并提高放大器性能和可靠性，而且不增加元件數(shù)量。新方法通過將偏置二極管集成到輸出晶體管中，可以更加精確地監(jiān)控實際的裸片工作溫度。現(xiàn)在只要實時地對任何變化進(jìn)行補(bǔ)償，就可以立即控制偏置。因為偏置電流可以迅速地進(jìn)行調(diào)整，因此無需擔(dān)心因為散熱器造成的熱散失或熱遲滯。這種修改對電路的另一個優(yōu)點是它可以在沒有偏置調(diào)節(jié)電位器的條件下實現(xiàn)，這也減少了生產(chǎn)步驟并確保達(dá)到靜態(tài)偏置點。

在這個修改后的電路設(shè)計中去除了無源元件和有源偏置晶體管，由集成到輸出晶體管內(nèi)的二極管代替，這樣的結(jié)果是穩(wěn)定的偏置電流和非常精確的靜態(tài)電流可以瞬間調(diào)節(jié)至負(fù)載和信號電平。較低輸出電壓處的失真也大大降低，放大器的噪聲基準(zhǔn)也因過零電壓處沒有震蕩而得到改善。

圖2：單通道音頻放大器ThermalTrak方案。