採用高電壓音效驅動器設計音效放大器的準則與考量

LME49810音效驅動器晶片外觀，採用TO-247 15引線封裝。

前言：
在產品的外觀、款式、系統控制和音質等項目上，音效放大器產品變得愈來愈先進。經驗豐富的電子工程師會採用不同的電路來設計其理想的音效放大器。現今在業界中，每條通道消耗100瓦以上的大部份傳統高功率音效放大器，均採用離散元件電路作為主流。高保真音效放大器甚至需要花費更大的努力來匹配和調節輸出的穩定性和聲音效果。

本文：
音效設計的效率與穩定性在高傳真音效逐漸成為主流的情況下，越來越重要，不再只是讓使用者「聽的到聲音」即可滿足，還追求更好的音質，加上成本降低以及環保節能的壓力，都讓音效的設計越來越複雜。不過處處都最佳化設計往往讓工程師難以精簡成本，此時從音效驅動器著手可以獲得不錯的成效。

例如一款高電壓音效驅動器能夠提供200V峰值至峰值電壓擺幅(peak output voltage swing)，以驅動不同類型的輸出等級(output stage)時，這樣的電路性能便可為音效系統提供更精簡的設計，更高的穩定性和一致性。憑著這些優點，工程師便可在研發和生產期間輕易地為離散式元件進行匹配和調整。也就是說，採用這種方式就能夠在產品製造階段提升效率並降低成本。

這樣的性能適用於高級消費或是專業級音效的應用，像是錄音室監視器和超重低音揚聲器(subwoofer)、音效/視頻接收器、商用擴音系統、非原廠音響、專業級混音器，分散式音效及吉他放大器，也適用於各類高電壓及低失真的工業用音效系統，例如LME49810高電壓音效驅動器。

主要規格
◎寬闊的工作電壓範圍：正負20V到正負100V
◎轉換率： 50V/μs(典型值)
◎輸出驅動電流： 600mA(典型值)
◎電源抑制比 (f=DC)：110dB(典型值)
◎總諧波失真及雜訊(f=1KHz)：0.0007(典型值)

採用LME49810設計音效放大器的考量因素

採用美國國家半導體的音效驅動器來設計一個音效系統有很多不同的方法，而當中有一些考量對於設計一個高性能的音效放大器很重要。

(1)輸入級(Input Stage)：
輸入級設計是放大器最關鍵的一環，它通過從輸入去除回饋訊號產生一個誤差訊號，之後再把這個誤差訊號驅動到輸出。該誤差訊號預設應該很小，以便為放大器提供足夠的線性度(linearity)。

LME49810是一款雙極輸入放大器，其輸入阻抗的匹配性相當重要。基於來自正和負輸入埠的偏置電流，輸入阻抗的失配會導致出現輸入偏移電壓，該輸入偏移電壓將因封閉迴路增益而放大並且在輸出端出現。

只要LME49810的輸入偏置電流夠低，對於一般的應用來說，出現在輸出的偏移電壓都不會很明顯。

舉例而言，LME49810的典型偏置電流為100nA，而輸入阻抗失配為1KΩ。如圖5。

對於一個典型有30倍封閉迴路增益的放大器而言，如圖6，

由於LME49810的輸入偏置電流很低，出現在輸出的偏移電壓在一般應用下都不會很明顯。

假如希望進一步減少輸出的偏移電壓，便需降低回饋和輸入訊號路徑上的阻抗。因此可以減少由輸入偏置電流的失衡而引致的偏移，但必須確定前級有足夠的驅動能力。

一般來說有兩種普遍的音效輸入設計，分別是交流(AC-coupled)或直流耦合(DC-coupled)輸入，而選用那一種則需視乎不同的應用要求：

交流耦合輸入的優點：
1、來自前置放大器、濾波器級或編解碼器級的放大器輸入直流偏移一般都是零。
2、無需在放大器加入任何的直流伺服電路來防止直流故障。

直流耦合輸入的優點：
1、無需使用大尺寸和昂貴的交流耦合電容器。
2、不會出現由交流耦合電容器所產生的低頻失真。
3、可減輕耦合在交流耦合RC網路的雜訊。

(2)負回饋係數
功率放大器的負回饋配置可為系統帶來較高的穩定度和線性度。採用負回饋可防止放大器直流偏移電壓出現飽和。一般來說，當放大器在高頻工作時會出現相位位移，而較大的負回饋係數可減輕在高頻時的不穩定性和振盪。

在離散的放大器系統中，高回饋係數將會引致差劣的暫態回應或高頻不穩定性，然而，LME49810擁有一個較高的開放迴路增益，因此它的封閉迴路增益誤差和電源抑制會較小，使其可最大化電路中的負回饋，從而提高系統的線性度。通常，都會建議採用30dB至40dB的電壓增益。負回饋係數可輕易地用R輸入和R回饋的關係來設定。

(3)補償
放大器的補償是用來調節開迴路增益和相位性能，以便當回饋被關閉時能把系統穩定下來。一般來說，獲得最高的穩定性補償是愈大愈好以。可是，當補償愈大時，音效晶片的帶寬和轉換率亦會隨著下降，而較低的轉換率會使系統產生出一個較柔和的聲音本質，相反較高的轉換率則可產生較實在的聲音本質。

放大器的補償是用來調節開迴路增益和相位性能，以便當回饋被關閉時能把系統穩定下來。一般來說，獲得最高的穩定性補償是愈大愈好以。可是，當補償愈大時，音效晶片的帶寬和轉換率亦會隨著下降，而較低的轉換率會使系統產生出一個較柔和的聲音本質，相反較高的轉換率則可產生較實在的聲音本質。

LME49810的密勒補償(Miller compensation)是利用在「 Comp」和「 BiasM」接腳之間加插一個電容器來實現。

通過增加這兩根接腳之間的電容值，補償量和相位裕度便可獲得提升。可是，這裡不建議採用過高或過低電容值的電容器，最適合的電容範圍是10p 到 100p。此外，補償電容器的等效串列電阻(ESR)應盡量縮小，以避免電容器的等效串列電阻引發出潛在的零點。在一般情況下，採用陶瓷電容器的效果會比採用電解電容器的為佳。

(4)靜音
MUTE接腳是由流進入內的電流量所控制。方法是將一個參考電壓經一個電阻器連接到MUTE接腳以控制電流的大小，從50uA 到 100uA便為「PLAY」模式，而低於50uA的便為「 MUTE」模式。靜音電流可從算式計算出來，可是建議不要讓流進MUTE接腳的電流超出200uA。

LME49810有兩根用來設定偏置的專用接腳(BIAS和BIAS)，用以提供一個輸出偏置電流。可調電阻器R_^pot可用來調節輸出級的偏置電流，將R_^pot+R_^b1的電阻降低會導致出現較大的偏置電壓。 倍增器QMULT是用來補償偏置電壓以防止雙極輸出電晶體出現熱失控。

QMULT必須依附著與輸出電晶體相同的散熱器，當溫度上升時，Vbe會減少以降低偏置電壓，而較高的偏置電流可減少來自輸出的交叉失真(crossover distortion)但電流的消耗量則較大。

(5)輸出電晶體
音效功率放大器中最常見的輸出級是射極隨耦器。它通常都被稱為雙射極隨耦器(double emitter-follower)或達靈頓對(Darlington pair)配置，當中第一個隨耦器會作為一個輸出裝置的驅動級。

射極隨耦器的大訊號線性度主要取決於負載的大小。隨著負載增加(即負載電阻減少)，輸出電流亦同時會增加而BJT電流增益會因R_^E(射極反產生器)和beta值於高電流密度下出現滾降(roll-off)而減少。

這情況可能會削減線性度並增加在輸出級的失真。對於比較高功率的應用來說，建議採用多級輸出來維持高電流和更佳的線性度。LME49810音效驅動器擁有約50mA的輸出電流，它可以視乎應用的要求而配置成達靈頓對或並列電晶體輸出。

1、輸出級電晶體放大匹配
雙射極-隨耦器或達靈頓對通常都擁有一個高的電流增益係數Ic=sIb，
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相配。

2、輸出級電晶體的電流匹配
對於並列電晶體配置來說，必須確定中等功率電晶體的驅動能力。中等功率電晶體的輸出電流(Ic)必須大於高功率電晶體的最小驅動電流(Ib)以免在中等功率電晶體的級上出現超載。

3、輸出電晶體的電壓額定
採用輸出電晶體的一個重要考慮是其電壓的額定，它可確保系統的穩定性和防止受到任何形式的損壞。

V_^CBO和V_^CEO 電壓的最大範圍必須大於電源電壓的軌到軌範圍(rail to rail range)。對於一個有+/-100V電壓供應的放大器，電晶體的電壓額定應該高一點以保證它能夠在規格以內正常地運作。中等功率電晶體的基極和集極接腳在工作期間的電壓約為V_^ee 或 V_^cc的兩倍。因此在選擇電晶體時，必須確保電晶體的電壓額定夠高。

(6)電阻器R_^E
在高功率的音效放大器應用中，輸出電晶體的匹配性、電流平衡和保護對於功率放大器的線性度來說非常重要。這裡建議採用射極負回饋電阻器R_^E來改善輸出電晶體的匹配性和電流平衡能力。在高功率音效放大器應用中也建議加入這種電阻。

然而，將R^_E與輸出電晶體串列在一起亦會降低放大器的線性度。電阻RE是交叉失真的主要失真來源，當輸出電晶體的一端關閉而另一端開啟時便會出現此類失真。基於這個因素，R^_E的數值必須被最佳化並且維持在最低的水平以降低對線性度的影響。

因此，改善交叉失真的最有效方法便是減少R^_E的電阻。對於相同數值的R^_E，一個並列形式的輸出可降低用來改善線性度的整體R^_E電阻值。同時，假如每一個級的R^_E都較大，便可為輸出晶體管帶來更佳的匹配性和電流平衡。

此外，R^_E亦關係到輸出的功率損耗，對於一個相同的R^_E，較大的輸出電流會導致出現較大的功率損耗。R^_E的數值會取決於並列輸出電晶體的數量和揚聲器的負載。

一般來說，可採用有足夠電壓額定的0.1到0.5Ω電阻器。R_^E 的功率額定可從這條數式計算出來：RxI²=W Eg. 0.1Ohm x 5A² =712.5W

(7)等效R^_E
R^_E電阻亦是開放迴路輸出阻抗的主要成份，而封閉迴路輸出阻抗則是由開放迴路輸出阻抗和負回饋係數所定義，其關係如圖7。

例子：平均開放迴路輸出阻抗為200mΩ，而負回饋係數為29dB或28倍。因此便可預期封閉迴路輸出阻抗約為7mΩ。在一般情況下，封閉迴路阻抗最好比揚聲器系統的阻抗低很多，以提升線性度。

典型的功率放大器封閉迴路輸出阻抗可低至從10mΩ到 50mΩ，對於某些負回饋係數來說，亦需要把R_^E儘量調低。

(8)輸出網路(Output Network)
功率放大器最常用的輸出網路為 「Zobel」，圖8表示出其典型的元件數值。

所有形式的輸出網路目標，都是改善系統的穩定性。這裡所建議的 Zobel網路包含有一個串列在一起電阻器和電容器，並且從放大器的輸出連接到接地。

圖中電阻器的作用是在一個較高的頻率下將電流限制，以減輕對電容器的額定值要求，電阻器的電阻值範圍約從4.7Ω到 10Ω。大部份的情況下，電容器的值選定為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，被提取進入「Zobel」網路的電流亦會上升，因此輸出網路中元件的額定在任何條件下都必須足夠。

舉例而言，假設輸出擺幅為20 Vrms，Zobel網路在20kHz下應會提取248mA或0.62W。可是，為了確保元件能在一段短時間的高功率和高頻下工作，因此Zobel元件的功率額定一般都建議為3W到5W。

Zobel網路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。由於一個揚聲器的真實負載阻抗比起一個簡單的並列電阻器和電容器的複雜很多，一個現實揚聲器的頻率響應會受到串列在一起的放大器輸出阻抗和電纜阻抗及電感所影響而出呈現不平均的阻抗負載。這種現象可導致出現高頻不穩定性。

在放大器的輸出串列一個小線圈電感器會增加這種不穩定性，這種做法可以將放大器與並聯電容器隔離，並且不會在可聽的頻率下引致明顯的損耗。電感器的數值一般由1到7μH，而通過選用合適的數值便可避免在某一負載阻抗下出現高頻滾降。這裡建議採用空心電感器來避免出現磁飽和的潛在問題。

此外，還建議加入一個跨越輸出線圈的阻尼電阻器以減輕輸出LC網路的Q係數、過衝和振鈴現象。傳統上會採用有幾個歐姆的繞線型阻尼電阻器來避免自感，而電阻器愈低，過衝和振鈴的效果便愈小。由於輸出電流的大小是由輸出功率和負載阻抗決定，因此應選用1W到5W額定的阻尼電阻器。

結論：
業界有幾種不同的配置方法可以用來設計音效放大器。美國國家半導體特別針對此類應用提供一系列的音效驅動器晶片。這些晶片不單精簡，而且性能和穩定性都很高，特別適合用來設計音效系統。此外，在設計上同時考慮了理論和實際這兩方面，從而造就出一個高性能和高穩定性的音效系統。

隨著市場步向高檔的音效系統，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。為此，美國國家半導體的音效驅動器可謂給音效系統工程師帶來的提示，使他們可創造出高性能和高度穩定的音效放大器系統。(本文作者為美國國家半導體亞太區市場經理 郭俊傑)