在電視機(jī)音頻放大器應(yīng)用設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更輕薄的考慮

所有內(nèi)含音頻功率放大器的電子設(shè)備，例如立體聲電視機(jī)以及多通道AV接收機(jī)，通常都有一個(gè)重要的指標(biāo)，即輸出功率，該指標(biāo)是指所能提供的最大音量，這對(duì)于許多消費(fèi)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的指標(biāo)。而對(duì)于制造商來(lái)說(shuō)，要考慮的就不單是輸出功率，還要考慮在最壞情況下都能保證功能正常的熱穩(wěn)定性。關(guān)于這方面的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)會(huì)因不同公司而異。

通常用兩種放大器為電視機(jī)提供輸出功率，即AB類(lèi)和D類(lèi)放大器。向D類(lèi)放大器的過(guò)渡主要是因?yàn)槠桨咫娨?LCD或等離子)的需要，因?yàn)樵谶@類(lèi)機(jī)子空間有限，因而散熱是一個(gè)問(wèn)題。目前的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)年只有AB類(lèi)放大器時(shí)所開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，本文將討論該標(biāo)準(zhǔn)是否仍適用于D類(lèi)放大器。

最大輸出功率

最大輸出功率指的是在給定的時(shí)間內(nèi)，以及在指定的頻率和總諧波失真(THD)范圍內(nèi)放大器所能提供的總功率。例如，美國(guó)聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)(FTC)規(guī)定的功率測(cè)試方法中，要求用1kHz的正弦波、以規(guī)定輸出功率的1/8對(duì)放大器進(jìn)行一個(gè)小時(shí)的預(yù)熱。然后，放大器必須能夠連續(xù)5分鐘提供規(guī)定功率，當(dāng)然，必須是在規(guī)定的THD和頻率范圍內(nèi)。負(fù)載通常是一個(gè)4Ω或8Ω的電阻器，具體用哪一個(gè)取決于標(biāo)稱(chēng)的揚(yáng)聲器阻抗。

由于絕大多數(shù)的電視機(jī)都沒(méi)有外接揚(yáng)聲器的端口，因此沒(méi)有辦法測(cè)試功放的輸出，因此也就沒(méi)有功率測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。通常標(biāo)定功率的測(cè)試方法是，采用1kHz的信號(hào)，以10%的THD，至少連續(xù)10分鐘。

熱穩(wěn)定性

該測(cè)試用來(lái)驗(yàn)證整個(gè)設(shè)備的熱性能。測(cè)試時(shí)，將設(shè)備放入一個(gè)規(guī)定的最高環(huán)境溫度(通常為40℃)的測(cè)試間內(nèi)進(jìn)行。在設(shè)備內(nèi)部溫度將會(huì)升高，這就使得放大器要承受更高的環(huán)境溫度。使用設(shè)備本身的揚(yáng)聲器作為負(fù)載?？梢圆捎貌煌燃安煌ㄐ蔚臏y(cè)試信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，這將在下一段中討論。

該測(cè)試需要幾個(gè)小時(shí)。測(cè)量使用紅外溫度計(jì)或熱電偶，但測(cè)量值與安全標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行比較，例如最高PCB溫度和結(jié)溫。要通過(guò)熱穩(wěn)定性測(cè)試，無(wú)論是放大器還是揚(yáng)聲器都不能有任何的損壞。該功能測(cè)試通過(guò)評(píng)估溫度特性來(lái)檢查潛在的損壞。

測(cè)試信號(hào)

該熱穩(wěn)定測(cè)試試圖模擬一個(gè)最壞情況下的真實(shí)情況，這種情況將會(huì)導(dǎo)致DVD和電視廣播中的音頻拖尾(audio track)。為了在每次測(cè)試中保證相同的測(cè)試結(jié)果，工程師應(yīng)該使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試信號(hào)。一旦最終條件確定好后，它還應(yīng)該提供穩(wěn)定的溫度讀數(shù)。

正弦波能夠提供穩(wěn)定的讀數(shù)，但因?yàn)槠浞入S時(shí)間變化，因而無(wú)法模擬節(jié)目?jī)?nèi)容，如音樂(lè)或語(yǔ)音。節(jié)目信號(hào)的幅度應(yīng)該是全范圍信號(hào)，從靜音到過(guò)驅(qū)動(dòng)(削波)?？梢杂梅逯狄驍?shù)(crest factor)來(lái)很好地描述節(jié)目信號(hào)的幅度失真，該因數(shù)是音樂(lè)或語(yǔ)音信號(hào)的峰值功率和平均功率的比值，單位用dB表示。

前面討論的都是源信號(hào)，還沒(méi)有涉及到我們所關(guān)注的放大器輸出信號(hào)的熱評(píng)估問(wèn)題。信號(hào)鏈上不但必須有音量和聲音控制，以便允許有足夠大的增益，還要有限制峰值輸出電壓的固定電源。因此，當(dāng)某人調(diào)高音量時(shí)峰值因數(shù)將會(huì)變化：因?yàn)榉逯当幌拗谱×?，而平均功率仍在升高，因此峰值因?shù)將會(huì)降低(這與放大器的輸入信號(hào)的變化不同)。最低的峰值因數(shù)取決于消費(fèi)者所能接受的失真大小和設(shè)備的最大增益設(shè)置。在任何消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中，理想的最壞情況測(cè)試都是指峰值因數(shù)最低。

同樣，揚(yáng)聲器制造商也已經(jīng)研究過(guò)合適的測(cè)試信號(hào)，揚(yáng)聲器必須在處理放大器的輸出信號(hào)時(shí)沒(méi)有損壞和嚴(yán)重失真。絕大多數(shù)的制造商采用的是IEC268-5標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定的測(cè)試信號(hào)為：粉紅噪聲信號(hào)，即濾波后(即經(jīng)過(guò)40Hz的高通，5kHz的低通濾波，濾波器為2階濾波器)的各種頻率分布，來(lái)還原音樂(lè)聲的長(zhǎng)時(shí)間頻率分布(圖1)。

圖1：IEC268-5噪聲譜密度。

IEC268-5所規(guī)定的測(cè)試信號(hào)的峰值因數(shù)為6dB，這是最壞情況下的指標(biāo)。使用該信號(hào)揚(yáng)聲器所能處理的平均功率稱(chēng)作為“連續(xù)功率”，不過(guò)絕大多數(shù)制造商都公布了“節(jié)目功率(program power)”，該功率比前者高3dB，用一個(gè)間斷的信號(hào)(依次循環(huán)地通一分鐘，斷一分鐘)測(cè)試。故揚(yáng)聲器可以處理具有9dB峰值因數(shù)的削波信號(hào)。

峰值因數(shù)中所涉及的峰值功率，指的是放大器提供的峰值功率。放大器的額定輸出功率用3dB的正弦波測(cè)量，因此，揚(yáng)聲器的長(zhǎng)期功率處理能力為6dB，小于放大器的額定功率。用于整個(gè)設(shè)備的最壞情況下的長(zhǎng)期測(cè)試信號(hào)是IEC268噪聲，其RMS功率比峰值輸出功率低9dB，比最大正弦波功率低6dB，這是正弦波測(cè)試儀器的最大輸出功率。

當(dāng)考慮放大器的熱設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有理由要求處理比揚(yáng)聲器規(guī)定值更大的功率。集成放大器通常有熱保護(hù)，故會(huì)發(fā)生的最壞情況是沒(méi)有聲音，這會(huì)在放大器重新冷卻下來(lái)后自動(dòng)復(fù)位。由于揚(yáng)聲器過(guò)載會(huì)導(dǎo)致永久性的損壞，將放大器的熱限制設(shè)置到一個(gè)較低水平實(shí)際上是保護(hù)揚(yáng)聲器的一個(gè)有效手段。

放大器的分類(lèi)

電視機(jī)中可以采用兩種音頻放大器，即AB類(lèi)和D類(lèi)。我們要分析一下這兩種類(lèi)型的放大器在上述的測(cè)試中的具體表現(xiàn)。AB類(lèi)放大器是一個(gè)低成本的重負(fù)荷解決方案，但其功耗太大，并需要體積很大的散熱器。D類(lèi)放大器具有較高的效率，但缺點(diǎn)是價(jià)格太高。不過(guò)這一點(diǎn)因需要采取的散熱措施少(散熱器小，或者就無(wú)需散熱器)以及IC的體積較小所補(bǔ)償。不過(guò)，系統(tǒng)仍然需要通過(guò)熱測(cè)試，故測(cè)試策略決定放大器的成本。

為了簡(jiǎn)化比較，假定兩種放大器的都是FET，而不是雙極輸出晶體管。對(duì)于指定的電源電壓(VCC)、負(fù)載 (RI)和RDSON(輸出晶體管全導(dǎo)通的阻抗)來(lái)說(shuō)，最大輸出電壓對(duì)于兩種類(lèi)型是一樣的，因?yàn)檫@是最大的輸出功率。另外還假定一個(gè)橋接負(fù)載(BTL)輸出，即輸出電流流過(guò)兩個(gè)晶體管且RDSON加倍(圖2)。

圖2：BTL放大器輸出級(jí)。

對(duì)于不同類(lèi)型的放大器來(lái)說(shuō)功耗差別極大。讓我們從直流分析開(kāi)始，輸出電壓為Ua (則輸出功率P=Ua2/RI):

AB類(lèi)：

Dab =[( Ua/ RI) * (VCC-Ua)] + IQ *VCC

產(chǎn)生的功率為輸出電流與輸出電阻器上的電壓降的乘積。

D類(lèi)：

Dd = (Ua/RI) 2 * 2*RDSON + IQ* VCC

產(chǎn)生的功率主要由阻性損耗構(gòu)成，(輸出電流)2 * R

兩種放大器都有一個(gè)常系數(shù)：即IQ * VCC，其中IQ為靜態(tài)電流。AB類(lèi)放大器用該電流來(lái)減小交叉失真，而D類(lèi)放大器中，該電流代表開(kāi)關(guān)損耗。兩種放大器中該電流的幅度相同。

通過(guò)仿真可以進(jìn)行進(jìn)一步分析?？紤]常見(jiàn)的電視應(yīng)用，既采用12V的電源，8Ω的揚(yáng)聲器，并采用下列的參數(shù)數(shù)據(jù)：

VCC= 12 V

RI = 8 Ω

RDSON = 0.3 Ω

IQ = 0.02 A

首先要確定效率，由下面的方程來(lái)計(jì)算：

圖3圖示了正弦波的效率，還給出了輸出信號(hào)的失真。該失真由削波引起，反過(guò)來(lái)也可以說(shuō)，由限定的電源引起。

圖3：效率與輸出功率的關(guān)系。

下列方程被用來(lái)計(jì)算最大輸出電壓幅擺：