關(guān)于高性能音頻放大器設計準則與技巧

輸出晶體管：音訊功率放大器中最常見(jiàn)的輸出級是圖3所示的射極跟隨器。它通常都被稱(chēng)為雙射極跟隨器或達林頓管。其中第一個(gè)跟隨器會(huì )作為輸出級的驅動(dòng)器。

圖3：輸出射級跟隨器。

射極跟隨器的大訊號線(xiàn)性度主要取決于負載的大小。隨著(zhù)負載增加(即負載電阻減少)，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(xiàn)性度并增加在輸出級的失真。對于比較高功率的應用來(lái)說(shuō)，建議采用多級輸出來(lái)維持高電流和更佳的線(xiàn)性度。

LME49810音頻驅動(dòng)器擁有約50mA的輸出電流，它可以根據要求配置成達靈頓管或平行晶體管輸出。

輸出級晶體管放大匹配：雙射極-跟隨器或達林頓管通常都擁有一個(gè)高的電流增益系數Ic=βIb。為了提高輸出級的穩定性，負極端和正極端的電流放大必須匹配。

圖4：射級負反饋電阻的應用。

對平行晶體管配置來(lái)說(shuō)，必須確定中等功率晶體管的驅動(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動(dòng)電流(Ib)以免在中等功率晶體管級上出現過(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。對于一個(gè)有+/-100V電壓供應的放大器，晶體管的電壓額定應該高一點(diǎn)以保證它能夠在規定以?xún)日５剡\作。

射極電阻器RE：在高功率的音訊放大器應用中，輸出晶體管的匹配性、電流平衡和保護對于功率放大器的線(xiàn)性度來(lái)說(shuō)非常重要。建議采用射極負反饋電阻器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(xiàn)性度。電阻RE是交越失真的主要失真來(lái)源。當輸出晶體管的一端關(guān)閉而另一端開(kāi)啟時(shí)便會(huì )出現這種失真。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(xiàn)性度的影響。

圖5：音頻放大器的輸出可配置結構。

改善交越失真的最有效方法便是減少RE的電阻。對于相同數值的RE，一個(gè)平行形式的輸出可降低用來(lái)改善線(xiàn)性度的整體RE電阻值。同時(shí)，假如每一個(gè)級的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。對于一個(gè)相同的RE，較大的輸出電流會(huì )導致較大的功率損耗。RE的值取決于并聯(lián)輸出晶體管的數量和揚聲器的負載。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，這便是改善系統的穩定性?！甖obel’網(wǎng)絡(luò )的另一個(gè)功能是保護放大器的輸出以免受到揚聲器線(xiàn)圈內電感所影響。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(zhuān)業(yè)級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以減輕輸出揚聲器在高頻時(shí)的負載效應。隨著(zhù)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)的揚聲器頻率響應會(huì )出呈現不平穩的特性，這比一個(gè)簡(jiǎn)單的并聯(lián)電阻器和電容復雜。這種現象可能導致高頻不穩定性。

在放大器的輸出串聯(lián)一個(gè)小線(xiàn)圈電感會(huì )增加穩定性。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載阻抗下出現高頻滾降。這里建議采用空心電感來(lái)避免出現磁飽和問(wèn)題。此外，還建議加入一個(gè)跨越輸出線(xiàn)圈的阻尼電阻以降低輸出LC網(wǎng)絡(luò )的Q系數、過(guò)沖和振鈴現象。傳統上還要采用有幾個(gè)奧姆的繞線(xiàn)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載阻抗。因此應選用1W到5W額定的阻尼電阻器。

本文小結

隨著(zhù)高階的音頻系統的市場(chǎng)發(fā)展，專(zhuān)業(yè)級的放大器要求有更大的輸出功率、更高的線(xiàn)性度和更高的穩定性。美國國家半導體音頻驅動(dòng)可為工程師們帶來(lái)更有價(jià)值的設計，使他們可創(chuàng )造出更多高性能和高度穩定的音頻放大器系統。