對溫度變化不敏感的Class AB 20W電流增強器

作者 : Jordan Dimitrov,Humber College電氣工程與設計教授

AB類放大器架構中經常潛伏著一些麻煩,主要是偏置不穩定以及其他與散熱相關的問題...

AB類(Class AB)放大器一直是音訊世界的主力,這要歸功於其簡易性及其以低失真提供大功率級的能力。但是在AB類放大器架構中也潛伏著一些麻煩,主要是偏置不穩定和其他與散熱相關的問題。我開發這個電路是為了解決在AB類功率放大器(PA)設計時遇到一些令人不快的缺點,同時保留工程師和音訊愛好者所珍視的所有優點。

AB類功率放大器的標準拓撲如1a所示。當輸入端上未施加訊號時,兩個電晶體上會有一個相對較小的電流流過,從而使其保持在放大模式。該偏置電流由二極體D1和D2、電晶體Q1和Q2的基極發射極接面以及電流檢測電阻RCS1和RCS1上的壓降所確定。

圖1:具有二極體偏置(a)和運算放大器偏置(b)的功率放大器拓撲。

四個PN接面上的電壓降並不匹配,而且都取決於溫度。偏置電流有點難以確定,因此通常需要進行電流調整。為了最大限度地減少這些熱效應,放大器的二極體和電晶體必須保持緊密的熱接觸,以便在不同的輸出功率下提供正常的偏置。

1b中的電路解決了偏置問題。由於在R2、A1、RCS1、RCS2、A2和R3所形成的迴路中並沒有與溫度相關的元件,因此可以精確地計算偏置電流,而且無需依賴於溫度。可參考Charles Wenzel在techlib.com發表的「高增益與傳真音訊放大器」(High Gain and Fidelity Audio Amplifier)一文,其中提及的原理圖即使用該拓撲來設計具有良好性能的2W音訊放大器。

本設計實例(見2)將這種改進拓撲推向了新的功率極限。

圖2:此電流升壓器電路可提供高達20W的功率,並具有充份確定的與溫度無關之靜態電流。

電路的關鍵是OPA2991軌到軌I/O運算放大器,它能夠使用±20V電源進行工作。該電路使用小型電流檢測電阻器和兩對互補電晶體來提供更大的電流,因此能以適中的靜態電流、低失真和寬頻寬為8Ω負載提供高達20W的功率。與傳統的Class AB設計不同,其偏置電流並不取決於溫度,無需調整。當電晶體不導通時,二極體D1和D2導通,因此運算放大器始終處於放大模式。

該放大器的性能資料突顯了其改進架構的優勢:

  • 輸入電阻為100kΩ,與頻率無關;
  • 當VIN=0時,輸出電壓約為10μV,電路從電源汲取60mA電流。

3顯示在最大功率和1kHz時的VIN (黃色軌跡)、VOUT (綠色軌跡)及其頻譜。

圖3:最大功率和1kHz時的VIN和VOUT。上圖顯示VIN的頻譜,下圖則顯示VOUT的頻譜。

其他關鍵要點:

  • 傳遞係數為99;
  • 提供給負載的功率為4W;
  • 電路從電源汲取700mA電流;
  • 電晶體Q2和Q4每個消耗大約4W的功率,因此需要使用適當的散熱器。

模擬結果表明該電路具有很大的頻寬和低失真。在1kHz時,雜訊層的基波峰值低約80dB。這兩個頻譜幾乎相同,也即電路不會引入失真。模擬報告的總諧波失真(THD)為0.021%。4說明50kHz時的這些特性。

圖4:VIN、VOUT及其在50kHz時的頻譜。

在50kHz時,雜訊層的基波峰值低約60dB。兩個頻譜的雜訊部份幾乎相同。輸出頻譜接近基波峰值(圖中的第一個框格),略高於輸入頻譜,這說明電路在此處引入了一些失真。模擬結果顯示THD=0.216%。

(參考原文:Class AB 20-W current booster is insensitive to temperature variations,by Jordan Dimitrov)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年3月號雜誌

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