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消除熱遲滯和偏置調整的音訊放大電路設計方法

上網時間: 2005年07月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Thermal Lag  偏置調整  Audio Output  High Fidelity  熱遲滯 

本文介紹了採用安森美ThermalTrak元件消除高傳真度大功率音訊放大器中的熱遲滯偏置調整的新設計方法。

對於設計高傳真音訊放大器而言,一直以來存在的挑戰是保持輸出偏置,同時在放大器的整個工作溫度範圍內將熱穩定性保持在AB輸出部份內。為了充分地監控並調節每個輸出元件產生的熱量,設計工程師在靠近輸出元件的散熱器上放置一個偏置電晶體(或多個電晶體)。這種設計方法的缺點是在達到熱穩定之前不可避免會有延遲,在某些情況下,這種預熱時間會長達30分鐘。另外,放大器設計需要使用輕微欠偏置輸出元件來進一步調整,避免熱耗散。雖然這些可行的設計技術能完成設計任務,但是會犧牲真正的高傳真性能。

消除大功率音訊放大器中的熱遲滯和偏置調整需要更精確的偏置控制,而挑戰就在此處。圖1所示的高性能放大器電路是目前業界使用的標準設計。該設計已經修改,以提高低阻抗負載中的性能並保持穩定。

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圖1:標準單通道音訊放大器方案。

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實際的偏置電路由一個位於驅動器(TO-220)之間散熱器上的小訊號電晶體組成,這種設計的偏置穩定性要求偏置設置在避免產生熱散失且不低於產生交叉失真(crossover distortion)的點上。偏置電晶體上的實際壓降被設置在發射極和集電極之間的3.2V。不僅如此,當放大器驅動到低阻抗負載時,會產生少量熱耗散,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訊號失真,需要稍微增大偏置。

由於輸出元件的發射極電阻最小(0.1Ω),使得在生產環境中難以處理,因為偏置稍大就產生一個熱‘炸彈’。目前業界實現了很多種電路用於減小這種熱效能,但都會增加系統成本。

新的設計方法(圖2)可用於消除熱遲滯,並提高放大器性能和可靠性,而且不增加元件數量。新方法透過將偏置二極體整合到輸出電晶體中,可以更加精確地監控實際的裸片工作溫度。現在只要即時對任何變化進行補償,就可以立即控制偏置。因為偏置電流可以迅速地進行調整,因此無需擔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點是它可以在沒有偏置調節電位器的條件下實現,這也減少了生產步驟並確保達到靜態偏置點。

在這個修改後的電路設計中去除了被動元件和主動偏置電晶體,由整合到輸出電晶體內的二極體代替,這樣的結果是穩定的偏置電流和非常精確的靜態電流可以瞬間調節至負載和訊號電平。較低輸出電壓處的失真也大大降低,放大器的噪音基準也因過零電壓處沒有震盪而得到改善。

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圖2:單通道音訊放大器ThermalTrak方案。

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放大器穩定時間和偏置穩定性也得到改善,還具有稍低的輸出阻抗。因為偏置電流現在由輸出電晶體內部的實際裸片溫度而非散熱器溫度監控,放大器的執行性能將更好。

採用音訊精確度分析儀可以獲得的典型總諧波失真(THD)測量值。在採用輸出電晶體中的偏置二極體條件下,新的靜態偏置電壓提高到3.4V,獲得較低失真性能,且沒有熱遲滯問題。在2Ω負載下放大器電路完全穩定,且沒有一般因功率元件之間的溫差或溫度突變引起的偏置電流漸變。

分析電路的失真曲線,可以發現失真性能可以得到大幅改善。大多數改善在較低功率輸出電壓中,而多數較低音的音樂內容就是低功率輸出電壓。還需要注意的是,偏置控制可在更寬的範圍內有效,基本上沒有預熱時間。

本文小結

本文介紹的應用展示了一種提高音訊功率放大器可靠性和性能的簡便方法,而且設計的放大器不需要調整。這種設計降低了製造成本,並且消除了與散熱器有關的熱遲滯。這也證明了性能合理的功率放大器可以不採用偏置調整。

除了偏置控制以外,這種類型的元件配置還可以用於其它一些應用,像輸出元件中電流共享的單個驅動器控制或者保護電路的溫度檢測也可以使用這類元件進行配置。

作者:Mark Busier


應用工程師


安森美半導體公司





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