現(xiàn)在許多傳統(tǒng)高功率音頻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高傳真音頻放大器進(jìn)行匹配和調(diào)節(jié),。
　　
    本文以美國國家半導(dǎo)體的音頻驅(qū)動器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)動不同類型的輸出級，適合高階消費(fèi)和專業(yè)級音頻應(yīng)用,，包括主動錄音室監(jiān)視器,、超重低揚(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)?？蔀橐粲嵪到y(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)體的音頻驅(qū)動器來設(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：輸入級設(shè)計(jì)是放大器最關(guān)鍵的一環(huán),。透過來自反饋的訊號進(jìn)行相減，輸入級會產(chǎn)生一個誤差訊號,，然后把這個誤差訊號驅(qū)動到輸出,。該誤差訊號通常很小，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,、濾波器級或編譯碼器級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會出現(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,?？墒牵a(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,。可變電阻器Rpot可用來調(diào)節(jié)輸出級的偏置電流,，將Rpot+Rb1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晶體管出現(xiàn)熱漂移。QMULT必須與輸出晶體管連接在相同散熱器上,。
　　
    輸出晶體管：音訊功率放大器中最常見的輸出級是圖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。其中第一個跟隨器會作為輸出級的驅(qū)動器,。


　圖3：輸出射級跟隨器
　　
    射極跟隨器的大訊號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)，輸出電流亦同時會增加,。受RE和位于高電流密度的β滾降的影響,，BJT電流增益會減少。這種情況下,，可能會降低線性度并增加在輸出級的失真,。對于比較高功率的應(yīng)用來說，建議采用多級輸出來維持高電流和更佳的線性度,。LME49810音訊驅(qū)動器擁有約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高的電流增益系數(shù)Ic=βIb,。為了提高輸出級的穩(wěn)定性,，負(fù)極端和正極端的電流放大必須匹配。


　圖4：射級負(fù)反饋電阻的應(yīng)用,。
    對平晶體管配置來說,，必須確定中等功率晶體管的驅(qū)動能力。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)動電流(Ib)以免在中等功率晶體管級上出現(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)閉而另一端開啟時便會出現(xiàn)這種失真,。因此，必須最佳化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：音訊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,，假如每一個級的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,。對于一個相同的RE,，較大的輸出電流會導(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)都只有一個目標(biāo),，這便是改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。‘Zobel’網(wǎng)絡(luò)的另一個功能是保護(hù)放大器的輸出以免受到揚(yáng)聲器線圈電感所影響。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)級音訊放大器的輸出匹配電路。
　　
    圖6中電阻器的作用是在一個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，一個真實(shí)的揚(yáng)聲器頻率響應(yīng)會出呈現(xiàn)不平穩(wěn)的特性,，這比一個簡單的并聯(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)一個小線圈電感會增加穩(wěn)定性,。這種做法可以將放大器與關(guān)聯(lián)電容隔離,，且不會在音訊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,。
　
    隨著高階的音訊系統(tǒng)的市場發(fā)展,，專業(yè)級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)體音訊驅(qū)動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)定的音訊放大器系統(tǒng),。