關(guān)于高性能音頻放大器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與技巧

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音頻驅(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。

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(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)對于功率放大器的線性度來說非常重要。建議采用射極負(fù)反饋電阻器RE來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，必須優(yōu)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性度的影響。

圖5：音頻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。對于相同數(shù)值的RE，一個(gè)平行形式的輸出可降低用來改善線性度的整體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(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?！甖obel’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。

圖6：專業(yè)級(jí)音頻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(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。

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)在音頻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避免出現(xiàn)磁飽和問題。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避免自感。電阻器越低，過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。

本文小結(jié)

隨著高階的音頻系統(tǒng)的市場發(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。美國國家半導(dǎo)體音頻驅(qū)動(dòng)可為工程師們帶來更有價(jià)值的設(shè)計(jì)，使他們可創(chuàng)造出更多高性能和高度穩(wěn)定的音頻放大器系統(tǒng)。