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对温度变化不敏感的AB类20W电流增强器

2022-03-17 15:16:15 Jordan Dimitrov 阅读:
本设计实例中所开发这个电路是为了解决我在AB类功率放大器设计中所遇到的一些缺点,同时保留了其所有优点。它将此前某2W音频放大器设计的功率水平推向了新的极限。

AB类放大器一直是音频世界的主力,这要归功于其简单性以及以低失真提供大功率水平的能力。但是在AB类架构中也潜伏着一些麻烦,主要是偏置不稳定和其他与散热相关的问题。我开发这个电路是为了解决我在AB类功率放大器设计中所遇到的一些令人不快的缺点,同时保留了工程师和爱好者们所珍视的所有优点。6mdednc

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AB类功率放大器的标准拓扑如图1a所示。当输入端上没有施加信号时,两个晶体管上会有一个相对较小的电流流过,从而使它们保持在放大模式。该偏置电流由二极管D1和D2、晶体管Q1和Q2的基极发射极结以及电流检测电阻RCS1和RCS2上的压降所确定。6mdednc

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图1:具有二极管偏置(a)和运算放大器偏置(b)的功率放大器拓扑。6mdednc

四个PN结上的电压降不匹配,并且它们都取决于温度。偏置电流有点难以确定,因此通常需要进行电流调整。为了最大限度地减少这些热效应,放大器的二极管和晶体管必须保持紧密的热接触,以便在不同的输出功率下提供正常的偏置。6mdednc

图1b中的电路解决了偏置问题。由于在由R2、A1、RCS1、RCS2、A2和R3所形成的回路中没有与温度相关的元器件,因此可以精确计算偏置电流并且它不依赖于温度。参考文献1中所提及的原理图使用该拓扑来设计具有良好性能的2W音频放大器。6mdednc

本设计实例(见图2)将这种改进拓扑推向了新的功率极限。6mdednc

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图2:此电流升压器电路可提供高达20W的功率,并具有充分确定的与温度无关的静态电流。6mdednc

电路的关键是OPA2991轨到轨I/O运算放大器,它能够使用±20V电源进行工作。该电路使用小型电流检测电阻器和两对互补晶体管来提供更大的电流,因此可以以适中的静态电流、低失真和宽带宽为8Ω负载提供高达20W的功率。与传统的AB类设计不同,其偏置电流不依赖于温度,无需调整。当晶体管不导通时,二极管D1和D2导通,因此运算放大器始终处于放大模式。6mdednc

该放大器的性能数据突显了其改进架构的优势:6mdednc

  • 输入电阻为100kΩ,与频率无关;
  • 当VIN=0时,输出电压约为10μV,电路从电源吸收60mA电流。

图3显示了在最大功率和1kHz时的VIN(黄色轨迹)、VOUT(绿色轨迹)及其频谱。6mdednc

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图3:最大功率和1kHz时的VIN和VOUT。上图显示了VIN的频谱,而下图则显示了VOUT的频谱。6mdednc

其他关键要点:6mdednc

  • 传递系数为0.99;
  • 提供给负载的功率为20.4W;
  • 电路从电源吸收700mA电流;
  • 晶体管Q2和Q4每个消耗大约4W的功率,因此需要使用适当的散热器。

仿真结果表明该电路具有很大的带宽和低失真。在1kHz时,本底噪声比基波峰值低约80dB。这两个频谱几乎相同,也即电路不会引入失真。仿真报告的总谐波失真(THD)为0.021%。图4说明了50kHz时的这些特性。6mdednc

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图4:VIN、VOUT及其在50kHz时的频谱。6mdednc

在50kHz时,本底噪声比基波峰值低约60dB。两个频谱的噪声部分几乎相同。输出频谱接近基波峰值(图中的第一个框),略高于输入频谱,这说明电路在此处引入了一些失真。仿真结果显示THD=0.216%。6mdednc

参考文献

  1. Wenzel, C. High Gain and Fidelity Audio Amplifier. 05-02-2017. https://www.radiolocman.com/shem/schematics.html?di=335167

–Jordan Dimitrov是一位拥有30年经验的电气工程师和博士。他在一所多伦多社区学院教授电气和电子课程。6mdednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Class AB 20-W current booster is insensitive to temperature variations,由Franklin Zhao编译。)6mdednc

本文为《电子技术设计》2022年3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6mdednc

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