音频放大器应用设计的全面解读与分析

时间:2025-05-21

在当今的电子设备领域,音频功率放大器扮演着至关重要的角色。像立体声电视机以及多通道 AV 接收机等内含音频功率放大器的电子设备,通常都有一个关键指标 —— 输出功率,它代表着设备所能提供的音量,这对于众多消费者而言是一个重要的参考因素。而对于制造商来说,他们需要考虑的不仅仅是输出功率,还要确保设备在坏情况下都能保证功能正常的热稳定性。不过,不同公司关于这方面的测试标准存在差异。


音频放大器的输出功率


通常采用两种放大器为电视机提供输出功率,即 AB 类和 D 类放大器。向 D 类放大器的过渡主要是因为平板电视(LCD 或等离子)的空间有限,散热成为一个突出问题。目前的测试标准是在当年只有 AB 类放大器时所开发的,接下来我们将探讨该标准是否仍适用于 D 类放大器。


输出功率指的是在给定的时间内,以及在指定的频率和总谐波失真(THD)范围内放大器所能提供的总功率。例如,美国联邦贸易委员会(FTC)规定的功率测试方法中,要求用 1kHz 的正弦波、以规定输出功率的 1/8 对放大器进行一个小时的预热。然后,放大器必须能够连续 5 分钟提供规定功率,当然,必须是在规定的 THD 和频率范围内。负载通常是一个 4Ω 或 8Ω 的电阻器,具体选择哪一个取决于标称的扬声器阻抗。


由于绝大多数的电视机都没有外接扬声器的端口,因此无法直接测试功放的输出,也就没有统一的功率测量标准。通常标定功率的测试方法是,采用 1kHz 的信号,以 10% 的 THD,至少连续 10 分钟。


热稳定性测试


热稳定性测试用于验证整个设备的热性能。测试时,将设备放入一个规定的环境温度(通常为 40℃)的测试间内。在设备内部温度将会升高,这就使得放大器要承受更高的环境温度。使用设备本身的扬声器作为负载,可以采用不同幅度及不同波形的测试信号进行测试。


该测试需要持续几个小时。测量时使用红外温度计或热电偶,然后将测量值与安全标准中规定的指标进行比较,例如 PCB 温度和结温。要通过热稳定性测试,无论是放大器还是扬声器都不能有任何的损坏。该功能测试通过评估温度特性来检查潜在的损坏。


测试信号的选择


热稳定测试试图模拟一个坏情况下的真实情况,这种情况将会导致 DVD 和电视广播中的音频拖尾(audio track)。为了在每次测试中保证相同的测试结果,工程师应该使用标准的测试信号。一旦终条件确定好后,它还应该提供稳定的温度读数。


正弦波能够提供稳定的读数,但因为其幅度随时间变化,因而无法模拟节目内容,如音乐或语音。节目信号的幅度应该是全范围信号,从静音到过驱动(削波)。可以用峰值因数(crest factor)来很好地描述节目信号的幅度失真,该因数是音乐或语音信号的峰值功率和平均功率的比值,单位用 dB 表示。


前面讨论的都是源信号,还没有涉及到我们所关注的放大器输出信号的热评估问题。信号链上不但必须有音量和声音控制,以便允许有足够大的增益,还要有限制峰值输出电压的固定电源。因此,当某人调高音量时峰值因数将会变化:因为峰值被限制住了,而平均功率仍在升高,因此峰值因数将会降低(这与放大器的输入信号的变化不同)。的峰值因数取决于消费者所能接受的失真大小和设备的增益设置。在任何消费类应用中,理想的坏情况测试都是指峰值因数。


同样,扬声器制造商也已经研究过合适的测试信号,扬声器必须在处理放大器的输出信号时没有损坏和严重失真。绝大多数的制造商采用的是 IEC268 - 5 标准,其中规定的测试信号为:粉红噪声信号,即滤波后(即经过 40Hz 的高通,5kHz 的低通滤波,滤波器为 2 阶滤波器)的各种频率分布,来还原音乐声的长时间频率分布(如图 1 所示)。


IEC268 - 5 所规定的测试信号的峰值因数为 6dB,这是坏情况下的指标。使用该信号扬声器所能处理的平均功率称作为 “连续功率”,不过绝大多数制造商都公布了 “节目功率(program power)”,该功率比前者高 3dB,用一个间断的信号(依次循环地通一分钟,断一分钟)测试。故扬声器可以处理具有 9dB 峰值因数的削波信号。


峰值因数中所涉及的峰值功率,指的是放大器提供的峰值功率。放大器的额定输出功率用 3dB 的正弦波测量,因此,扬声器的长期功率处理能力为 6dB,小于放大器的额定功率。用于整个设备的坏情况下的长期测试信号是 IEC268 噪声,其 RMS 功率比峰值输出功率低 9dB,比正弦波功率低 6dB,这是正弦波测试仪器的输出功率。


当考虑放大器的热设计时,没有理由要求处理比扬声器规定值更大的功率。集成放大器通常有热保护,故会发生的坏情况是没有声音,这会在放大器重新冷却下来后自动复位。由于扬声器过载会导致性的损坏,将放大器的热限制设置到一个较低水平实际上是保护扬声器的一个有效手段。


放大器的分类及性能比较


电视机中可以采用两种音频放大器,即 AB 类和 D 类。下面我们来分析一下这两种类型的放大器在上述测试中的具体表现。


AB 类放大器是一种低成本的重负荷解决方案,但其功耗太大,并需要体积很大的散热器。D 类放大器具有较高的效率,但缺点是价格太高。不过这一点因需要采取的散热措施少(散热器小,或者就无需散热器)以及 IC 的体积较小所补偿。不过,系统仍然需要通过热测试,故测试策略决定放大器的成本。


为了简化比较,假定两种放大器的都是 FET,而不是双极输出晶体管。对于指定的电源电压(VCC)、负载(RI)和 RDSON(输出晶体管全导通的阻抗)来说,输出电压对于两种类型是一样的,因为这是的输出功率。另外还假定一个桥接负载(BTL)输出,即输出电流流过两个晶体管且 RDSON 加倍(如图 2 所示)。


对于不同类型的放大器来说功耗差别极大。让我们从直流分析开始,输出电压为 Ua(则输出功率 P = Ua2/RI):



两种放大器都有一个常系数:即 IQ * VCC,其中 IQ 为静态电流。AB 类放大器用该电流来减小交叉失真,而 D 类放大器中,该电流代表开关损耗。两种放大器中该电流的幅度相同。


通过仿真可以进行进一步分析。考虑常见的电视应用,既采用 12V 的电源,8Ω 的扬声器,并采用下列的参数数据:
VCC = 12 V
RI = 8 Ω
RDSON = 0.3 Ω
IQ = 0.02 A


首先要确定效率,由下面的方程来计算。图 3 图示了正弦波的效率,还给出了输出信号的失真。该失真由削波引起,反过来也可以说,由限定的电源引起。

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