关于高性能音频放大器设计准则与技巧

输出晶体管：音讯功率放大器中最常见的输出级是图3所示的射极跟随器。它通常都被称为双射极跟随器或达林顿管。其中第一个跟随器会作为输出级的驱动器。

图3：输出射级跟随器。

射极跟随器的大讯号线性度主要取决于负载的大小。随着负载增加(即负载电阻减少)，输出电流亦同时会增加。受RE和位于高电流密度的β滚降的影响，BJT电流增益会减少。这种情况下，可能会降低线性度并增加在输出级的失真。对于比较高功率的应用来说，建议采用多级输出来维持高电流和更佳的线性度。

LME49810音频驱动器拥有约50mA的输出电流，它可以根据要求配置成达灵顿管或平行晶体管输出。

输出级晶体管放大匹配：双射极-跟随器或达林顿管通常都拥有一个高的电流增益系数Ic=βIb。为了提高输出级的稳定性，负极端和正极端的电流放大必须匹配。

图4：射级负反馈电阻的应用。

对平行晶体管配置来说，必须确定中等功率晶体管的驱动能力。中等功率晶体管的输出电流(Ic)必须大于高功率晶体管的最小驱动电流(Ib)以免在中等功率晶体管级上出现过载。

输出晶体管的电压范围：VCBO和VCEO电压的最大范围必须大于电源电压的轨到轨范围。对于一个有+/-100V电压供应的放大器，晶体管的电压额定应该高一点以保证它能够在规定以内正常地运作。

射极电阻器RE：在高功率的音讯放大器应用中，输出晶体管的匹配性、电流平衡和保护对于功率放大器的线性度来说非常重要。建议采用射极负反馈电阻器RE来改善输出晶体管的匹配性和电流平衡能力。因此，我们建议在实际的高功率音讯放大器应用中加入这种电阻。然而，将RE与输出晶体管串联在一起会降低放大器的线性度。电阻RE是交越失真的主要失真来源。当输出晶体管的一端关闭而另一端开启时便会出现这种失真。因此，必须优化RE值并且尽可能的将RE维持在较低水平，这样可以降低对非线性度的影响。

图5：音频放大器的输出可配置结构。

改善交越失真的最有效方法便是减少RE的电阻。对于相同数值的RE，一个平行形式的输出可降低用来改善线性度的整体RE电阻值。同时，假如每一个级的RE都较大，那便可为输出晶体管带来更佳的匹配性和电流平衡。此外，RE也关系到输出的功率损耗。对于一个相同的RE，较大的输出电流会导致较大的功率损耗。RE的值取决于并联输出晶体管的数量和扬声器的负载。建议采用足够功率的0.1到0.5Ω电阻器。

输出网络：功率放大器最常用的输出网络为‘Zobel’，所有的输出网络都只有一个目标，这便是改善系统的稳定性。‘Zobel’网络的另一个功能是保护放大器的输出以免受到扬声器线圈内电感所影响。这里建议的‘Zobel’网络中电阻器和电容串联在一起，并且从放大器的输出连接到接地。

图6：专业级音频放大器的输出匹配电路。

图6中电阻器的作用是在一个较高的频率下将电流限制，以减轻对电容的额定值要求。电阻器的电阻值范围从4.7Ω到10Ω。大部份的情况下，电容的值选定为0.1μF以减轻输出扬声器在高频时的负载效应。随着输出的电平增加，被撷取进入‘Zobel’网络的电流也随之会上升。因此，在任何条件下输出网络中组件的额定功率都必须足够，建议为3W到5W。受到串联在一起的放大器输出阻抗、电缆阻抗及电感的影响，一个真实的扬声器频率响应会出呈现不平稳的特性，这比一个简单的并联电阻器和电容复杂。这种现象可能导致高频不稳定性。

在放大器的输出串联一个小线圈电感会增加稳定性。这种做法可以将放大器与关联电容隔离，且不会在音频频率下引致明显损耗。电感值一般是1到7μH。选用合适的电感值便可避免在某一负载阻抗下出现高频滚降。这里建议采用空心电感来避免出现磁饱和问题。此外，还建议加入一个跨越输出线圈的阻尼电阻以降低输出LC网络的Q系数、过冲和振铃现象。传统上还要采用有几个奥姆的绕线型阻尼电阻器来避免自感。电阻器越低，过冲和振铃的效果便越小。由于输出电流的大小取决于输出功率和负载阻抗。因此应选用1W到5W额定的阻尼电阻器。

本文小结

随着高阶的音频系统的市场发展，专业级的放大器要求有更大的输出功率、更高的线性度和更高的稳定性。美国国家半导体音频驱动可为工程师们带来更有价值的设计，使他们可创造出更多高性能和高度稳定的音频放大器系统。