關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林頓管。其中第一個跟隨器會作為輸出級的驅動器。

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載的大小。隨著負載增加(即負載電阻減少)，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音頻驅動器擁有約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說，必須確定中等功率晶體管的驅動能力。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動電流(Ib)以免在中等功率晶體管級上出現過載。

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電壓供應的放大器，晶體管的電壓額定應該高一點以保證它能夠在規定以內正常地運作。

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性度來說非常重要。建議采用射極負反饋電阻器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。當輸出晶體管的一端關閉而另一端開啟時便會出現這種失真。因此，必須優化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致較大的功率損耗。RE的值取決于并聯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。

輸出網絡：功率放大器最常用的輸出網絡為‘Zobel’，所有的輸出網絡都只有一個目標，這便是改善系統的穩定性。‘Zobel’網絡的另一個功能是保護放大器的輸出以免受到揚聲器線圈內電感所影響。這里建議的‘Zobel’網絡中電阻器和電容串聯在一起，并且從放大器的輸出連接到接地。

圖6：專業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的負載效應。隨著輸出的電平增加，被擷取進入‘Zobel’網絡的電流也隨之會上升。因此，在任何條件下輸出網絡中組件的額定功率都必須足夠，建議為3W到5W。受到串聯在一起的放大器輸出阻抗、電纜阻抗及電感的影響，一個真實的揚聲器頻率響應會出呈現不平穩的特性，這比一個簡單的并聯電阻器和電容復雜。這種現象可能導致高頻不穩定性。

在放大器的輸出串聯一個小線圈電感會增加穩定性。這種做法可以將放大器與關聯電容隔離，且不會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避免出現磁飽和問題。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網絡的Q系數、過沖和振鈴現象。傳統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

隨著高階的音頻系統的市場發展，專業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定性。美國國家半導體音頻驅動可為工程師們帶來更有價值的設計，使他們可創造出更多高性能和高度穩定的音頻放大器系統。