广告

音频功率放大器的温度漂移补偿

2020-05-14 09:39:01 Federico Coppede 阅读:
本文介绍的技术可以补偿直接耦合AB类音频功率放大器输出中的DC电压漂移。直接耦合输出的主要好处是改善了低音响应。由于该设计省去了隔直电容器,因此其低频传输特性得到了显著改善。

本文介绍的技术可以补偿直接耦合AB类音频功率放大器输出中的DC电压漂移。q3uednc

直接耦合输出的主要好处是改善了低音响应。由于该设计省去了隔直电容器,因此其低频传输特性得到了显著改善。q3uednc

图1给出了一个电容器耦合输出,其低频截止频率由负载(通常为8Ω)和电容器Cc所决定。在这个例子中,电容器Cc可阻止输出中出现任何的DC偏移。q3uednc

q3uednc

图1:电容器耦合输出的低频截止频率由负载、电容器Cc和输出网络所决定。q3uednc

直接耦合输出则不是这种情况(图2)。其低频截止频率不受输出限制,因此前级的任何波动都会引起DC值波动,从而导致DC电流流经负载(扬声器)。除了会降低放大器的动态范围和总谐波失真(THD)之外,这也是有时在打开或关闭分立音频放大器时会听到“喀哒”声的原因。q3uednc

q3uednc

图2:直接耦合输出的低频截止频率不受输出限制。q3uednc

为了纠正这个问题,下面将首先进行深入分析,了解分立双极结型晶体管(BJT)音频放大器DC偏移背后的原因。接下来将设计一种方法来消除或至少减轻这个问题。q3uednc

首先,建立一个简单的放大器模型,包括主要的级(图3)。q3uednc

q3uednc

图3:放大器的简单模型。q3uednc

顾名思义,VAS(电压放大器级)这个系统元件,是用于放大来自输入的信号,从而通过驱动器级(通常是共射极)驱动AB级。驱动器连接到AB级,即一个互补式射极跟随器,可提供高电流增益。最后,负反馈环路(对VAS级的增益产生影响)使整个系统成为线性并稳定。q3uednc

VAS级通常使用差分放大器架构来设计,其一侧接收输入信号,另一侧接收负反馈信号。为了简单起见,这里用一个运算放大器代替VAS(仅用于说明偏移问题),分析各级和偏移之间的关系——下文会通过数学进行更多讨论。q3uednc

q3uednc

图4:VAS和驱动器的简化模型,可提供有关输出DC偏移的重要了解。q3uednc

图4给出了简化的VAS和驱动器。这个简单模型可以为我们提供有关输出DC偏移的重要了解。R1和R2形成局部负反馈,而Rf1和Rf2则形成全局负反馈网络。驱动器通常为一个共射极级,可产生负增益-G。因为射极跟随器的电压增益约为-1,所以为简单起见,这里将AB级忽略。q3uednc

VAS增益由R1和R2之间的关系,R2≫R1,和Va1=Va2=Va确定。驱动器增益非常高,因此整个放大器增益取决于Rf1和Rf2之间的关系:q3uednc

(Vin-Va)/R1=(Va-Vo’)/R2q3uednc

Va=Vo×Rf2/(Rf2+Rf1)q3uednc

替换Va,运算后得到:q3uednc

Vin=Vo×[Rf2/(Rf2+Rf1)×(R1+R2)/R2+R1/(G×R2)]q3uednc

(R1+R2)/R2≅1     R1/(G×R2)≅0q3uednc

Vo=Vin×(Rf2+Rf1)/Rf1  (1)q3uednc

这个结论给人印象不深,因此,下面来分析一下输入接地时,Vo与驱动器输入上的电压Vo’之间的关系:q3uednc

Va1=Vo’×R1/(R2+R1)      Va2=Vo×Rf2/(Rf2+Rf1)      Va1=Va2q3uednc

Vo= Vo’×R1/(R2+R1)×(Rf2+Rf1)/Rf2  (2)q3uednc

最后一个方程式由于显示了驱动器级的DC电压和放大器的输出DC电压之间的关系,表明Vo’发生较小波动,会在Vo中产生较大的偏移,因此非常重要。q3uednc

如前所述,驱动器级通常由一个简单的共射极级(图1中的Q3)和一个小电阻器(Rpol,用于确定所需的基极至发射极电压)组成。这个晶体管为输出晶体管提供基极电流,因此这一级的集电极电流在毫安范围内并不罕见。q3uednc

现在暂时忽略温度的影响,因此,当第一次打开电路时,要先对VAS校准,使输出DC电压处于VCC和VEE的中间,也就是0V。如果未施加任何信号,则由于AB级是个电压跟随器(共集电极),驱动器晶体管Q3承受大部分VEE电压(VEE-VBE),Q3上流过偏置电流IBias,因此Q3消耗的功率近似为:q3uednc

PQ3≅VEE×IBiasq3uednc

这个功率会使Q3发热,并且这个热量会以-2.2mV/℃的已知速率使该器件的Vbe发生改变,从而改变先前调整的输出DC电压。q3uednc

如果晶体管开始发热,例如比环境温度高40℃,则其Vbe将下降约88mV。q3uednc

正是晶体管温度升高时出现的这个较小Vbe的要求,使VAS输出处的Vo’(前面解释过这个电压)相应地发生变化,从而在输出处产生DC电压漂移。q3uednc

一个真实例子

图5中的电路说明了到目前为止所解释过的内容。q3uednc

q3uednc

图5:该电路的一阶现实实现。q3uednc

为了保持较低的偏移,将Vo’设置为尽可能接近零非常方便。这就是Rset的目的,它代表多圈微调电位器。q3uednc

这里,基极电压和Vo’之间的关系为:q3uednc

Vo’=Vbase×(Rpol+Rset)/Rpolq3uednc

因此,基于基射电压变化的输出电压漂移为:q3uednc

Vo=Vbase×(Rpol+Rset)/Rpol×R1/(R2+R1)×(Rf2+Rf1)/Rf2  (3)q3uednc

通过这个方程式,如果给元件分配数值(取自真实放大器),则可以计算出每℃变化下,输出电压将变化多少,例如:q3uednc

Vo=-2.2mV/℃×(120+4K)/120×470/(15K+470)×(2K2+10K)/2K2q3uednc

Vo=-12.8mV/℃q3uednc

PQ3≅24V×5mA=0.12Wq3uednc

假设Q3采用TO92封装。在这种情况下,可以使用这种封装的结至环境热阻来计算结温增量:q3uednc

Rθja=200℃/Wq3uednc

Δtemp=200℃/W×0.12W=24℃q3uednc

ΔVo=24℃×(-12.8mV/℃)q3uednc

ΔVo=-305mVq3uednc

总之,如果不采用补偿,则输出将漂移约305mV。这仅考虑了晶体管的自热效应。如果环境温度由于任何原因升高,则这个偏移量可能会增加。q3uednc

如何减轻这种影响

Q3的基射电压由Rpol确定,因此一种补偿Vbe电压变化的方法,是使Rpol以某种方式遵循这一变化。这可以通过对晶体管所连的Rpol使用与温度相关的电阻器(如热敏电阻)来实现。由于Vbe的变化率为负,因此热敏电阻必须为负温度系数(NTC)。q3uednc

下面来计算Rpol所需的热系数。q3uednc

IRpol(可以认为是恒定的)流过Rpol,并且Vbe等于VRpolq3uednc

Rpol=Vbe/IRpolq3uednc

(dRpol)/(dVbe)=1/IRpolq3uednc

∆Rpol=1/IRpol×∆Vbeq3uednc

在这个示例中,Rpol=120Ω,IRpol =5.6mA,因此:q3uednc

∆Rpol=1/5.6mA×(-2.2mV/(℃))q3uednc

∆Rpol=-0.4Ω/(℃)q3uednc

我们需要找到的热敏电阻,要在25℃时具有这样的精确热系数和电阻值。由于大多数NTC热敏电阻的温度系数更高,这不可能实现,因此解决方案是将一个或多个较高数值的热敏电阻与Rpol并联。q3uednc

下面这个方程式模拟了热敏电阻的温度相关性:q3uednc

Rth=Rth0×eB(1/T-1/T0),q3uednc

其中,Rth0是(需要计算的)环境温度下的热敏电阻;B是个参数,通常为3400K;T是绝对温度;T0是环境温度,约为298.16K。q3uednc

因此,环境温度下的斜率可以通过下式计算:q3uednc

(dRth)/dT=(-B×Rth0×eB(1/T-1/T0)/T2)q3uednc

下面就是每℃的电阻变化率:q3uednc

(dRth)/dT=-38.24e–3×Rth0[Ω/(℃)]q3uednc

将热敏电阻与Rpol并联:q3uednc

R||=(Rth×Rpol)/(Rth+Rpol),q3uednc

并且:q3uednc

dR||/dRth=Rpol2/(Rth0+Rpol)2q3uednc

这样就得到了并联电阻的变化:q3uednc

∆R||=Rpol2/(Rth0+Rpol)2×∆Rthq3uednc

然后将每℃的热敏电阻电阻增量代入:q3uednc

∆R||=Rpol2/(Rth0+Rpol)2×(-38.24e–3×Rth0[Ω/(℃)])q3uednc

现在就可以对这个正在分析的示例计算出Rth0q3uednc

-0.4Ω/(℃)=1202/(Rth0+120)2×(-38.24e–3×Rth0[Ω/(℃)])q3uednc

Rth0=1.12kΩq3uednc

考虑到实用性,可以将热敏电阻的值取整至1.2kΩ。q3uednc

注意事项

热敏电阻应比晶体管小得多,因此热敏电阻的温度会等于或非常接近晶体管外壳的温度。这也会减少热惯性,使系统更快地达到稳态。应使用热粘合剂将热敏电阻连接到晶体管外壳。q3uednc

概念测试

为了确定这个概念对电路真实行为建模的准确性,我构造了一个测试电路。由于没有1.2kΩ的热敏电阻(NTC 0402),我并联了8个10kΩ的热敏电阻(0402 Murata NCP15XH103D03RC)(图6),以产生非常相似的值(1250Ω)。请注意,并联连接热敏电阻不会改变我们计算出的温度系数。q3uednc

q3uednc

图6:将八个10kΩ热敏电阻并联制成1.25kΩ热敏电阻。q3uednc

然后,我使用热粘合剂将传感器连接到Q3的平坦侧,并将其与Rpol(是个SMD电阻器,位于电路板的另一侧)并联(图7)。q3uednc

q3uednc

图7:将图6中所示的热敏电阻与Q3热粘合。q3uednc

最后,在图8中可以看到在连接(橙色线)和未连接(蓝色线)热敏电阻的情况下的输出电压漂移——这里经过大约2分钟后达到稳态。q3uednc

q3uednc

图8:连接(橙色线)和未连接(蓝色线)热敏电阻时的输出电压漂移。q3uednc

电路的补偿响应(橙色线)比未补偿响应(蓝色线)要平坦得多,这表明补偿在起作用。斜率为负可能表示它有点补偿过了,但这不是问题,因为直流漂移仍然很小。q3uednc

还值得一提的是,我们在25℃下计算了所需的温度系数,但热敏电阻不是线性的。这表明温度系数在整个范围内不是恒定的。但是,由于补偿只需要在有限的温度范围内工作,因此可以忽略热敏电阻的非线性。q3uednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Temperature drift compensation for audio power amplifiersq3uednc

本文为《电子技术设计》2020年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里q3uednc

本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 音频功放一般都时采用交流耦合,直流漂移对输出有影响吗?
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 汽车EMC电磁兼容试验中的问题如何解决? 在巨大算力的支持下,不仅提升了整车操控的流畅性,还使得车辆具备全生命周期的硬件升级进化能力。由于数据量的提升,高速数据连接成了智能汽车里面的必要的选择。汽车和整个社会的电气化时代已然来临,现代汽车环境内外均出现了各种EMI相关的问题。
  • Melexis发布先进的磁性位置传感器芯片 Melexis今日宣布,推出全新的绝对磁性位置传感器芯片MLX90376,具备强大的杂散场抗干扰能力(SFI),适用于360°旋转汽车应用。
  • CAN&485总线隔离方案多?金升阳有妙招! CAN和485都是工业通信中常用的现场总线,做好通信总线的隔离防护是产品可靠、稳定的重要前提。那么该如何做好通信总线的隔离防护呢?隔离方案众多,该如何选择适合的方案呢?本文为您解答!
  • 车规级高速CAN总线收发器——SCM3425ASA 为满足客户更高可靠性的需求,金升阳现推出满足AEC-Q100车规级测试的SCM3425ASA总线收发器。其耐压能力达-42V~42V,具有强抗电磁干扰能力,极低电磁辐射能量,以及总线引脚瞬态保护、过热保护等功能,同时支持CANFD。
  • #金升阳科技 广州金升阳科技有限公司,国家高新技术企业,已连续六年荣登广东省制造业500强榜且排名稳步提升,2022年荣获国家级专精特新“小巨人”称号,是国内集研发、生产、销售于一体的服务全球的电源解决方案提供商。 金升阳自主创立“MORNSUN”品牌,拥有8万+平方米生产基地,45条SMT生产线,自动化率高达70%,产能可达150kk/年。金升阳致力于为汽车电子、轨道交通、工业、医疗、电力、智能交通、智慧城市等领域提供一站式电源解决方案。如今,金升阳自主设计的车载级电源和芯片已在车载电池管理、电机驱动、电控三大方面拥有成熟的应用,为汽车电子行业的客户提供“无忧电源”。
  • IAR Systems更新Visual Studio Code扩展 用于代码构建和调试的IAR Visual Studio Code扩展备受市场喜爱,其最新 1.20 版进一步简化了嵌入式开发工作流程
  • 好车配好芯:车规级芯片解决方案 芯洲科技的两项自主专利加持使得产品性能指标都有一定的优势。具有完善的过流,过温以及欠压等保护机制,可满足工业及车载市场的高可靠性要求。在功率密度和效率,静态功耗和抗EMI干扰等方面具有显著优势。
  • SCT2632Q降压转换器 SCT2632Q是一款3A降压转换器,具有宽输入电压,从4.2V到60V,集成了220mΩ高压侧MOSFET。SCT2632采用峰值电流模式控制,支持脉冲跳过调制(PSM),以帮助转换器在轻负载或待机状态下实现高效率条件。SCT2632具有可编程开关频率,从100kHz到1.2MHz,带有外部电阻器,它提供了优化效率或外部组件大小的灵活性。
  • 技术文章Banner 技术文章Banner
  • CSA37F62:车规级压力触控人车交互产品 CSA37F62内部包含高性能MCU内核,高性能放大器及高精度ADC,支持多种通讯接口,适用于汽车门把手、方向盘、座舱中控屏、汽车座椅、内外饰等压力按键应用场景,带来全新的智能交互、简约美观和更具科技感的压力触控交互体验。
  • CS32A010:高性能车载智能环境检测产品 芯海科技SmartAnalog®系列的首颗智能化模拟产品CS32A010,集成高精度ADC、高可靠模拟性能、智能化控制模块及完整的片上解决方案,能够实现电压、电流、化学、生物、光电、温度、压力、烟雾探测等环境信号测量。
  • 兆易创新瞄准4大行业入局模拟芯片,电源管理全产品组合 随着可穿戴设备、汽车电子、物联网、云计算等新兴应用的蓬勃发展,以及用户对于智能化生活越来越高的追求,同时伴随着工业、储能、5G通信等数字行业的产业升级和持续扩容,作为连接真实世界和数字世界的模拟芯片产品愈发展现广阔的应用潜力,并且市场规模持续增长。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了