音频放大器应用设计

[导读]所有内含音频功率放大器的电子设备，例如立体声电视机以及多通道AV接收机，通常都有一个重要的指标，即输出功率，该指标是指所能提供的最大音量，这对于许多消费者来说是一个重要的指标。

所有内含音频功率放大器的电子设备，例如立体声电视机以及多通道AV接收机，通常都有一个重要的指标，即输出功率，该指标是指所能提供的最大音量，这对于许多消费者来说是一个重要的指标。而对于制造商来说，要考虑的就不单是输出功率，还要考虑在最坏情况下都能保证功能正常的热稳定性。关于这方面的测试标准会因不同公司而异。

通常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)的需要，因为在这类机子空间有限，因而散热是一个问题。目前的测试标准是当年只有AB类放大器时所开发的标准，本文将讨论该标准是否仍适用于D类放大器。

最大输出功率

最大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，具体用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，因此没有办法测试功放的输出，因此也就没有功率测量的标准。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

该测试用来验证整个设备的热性能。测试时，将设备放入一个规定的最高环境温度(通常为40℃)的测试间内进行。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，这将在下一段中讨论。

该测试需要几个小时。测量使用红外温度计或热电偶，但测量值与安全标准中规定的指标进行比较，例如最高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

该热稳定测试试图模拟一个最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。一旦最终条件确定好后，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)。最低的峰值因数取决于消费者所能接受的失真大小和设备的最大增益设置。在任何消费类应用中，理想的最坏情况测试都是指峰值因数最低。

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(图1)。

图1：IEC268-5噪声谱密度。

IEC268-5所规定的测试信号的峰值因数为6dB，这是最坏情况下的指标。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。用于整个设备的最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，比最大正弦波功率低6dB，这是正弦波测试仪器的最大输出功率。

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，故会发生的最坏情况是没有声音，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永久性的损坏，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

电视机中可以采用两种音频放大器，即AB类和D类。我们要分析一下这两种类型的放大器在上述的测试中的具体表现。AB类放大器是一个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，最大输出电压对于两种类型是一样的，因为这是最大的输出功率。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(图2)。