电视音频放大器

应用笔记4628刃电视疼音频夺放大蓬器—辜超薄懂系统无的热兵测试育考虑RobertPolleros,高级技术成员，应用支持摘要：用于电视机(TV)设计的D类放大器，对其热特性评估按照类似于AB类放大器的评估原则进行。通过对不同输入信号时放大器的功耗进行深入细致的调查，本文提出了一种更加适合D类放大器的标准。类似文章被分为三个部分，发表于2007年4月/5月的AudioDesignLine。引言所有内置音频功放的设备，例如：立体声系统、电视和多通道音视频接收机，都有一个共同重要指标：输出功率。这项指标为最终用户提供设备所能输出的最大功率指示，多数客户可能非常关注该项指标。对于制造商来说，不仅需要测试输出功率，还要测试在恶劣环境下能够保障电视机正常工作的热稳定性。目前，各家公司可能采用不同的测试标准。常见的功率放大器有两种类型：AB类和D类放大器。平板(LCD和等离子)电视是推动D类放大器发展的主要动力，D类放大器解决了平板电视的空间限制和散热问题。而目前使用的测试标准则是在只有AB类放大器的时代推出的，本文将研究它是否适合D类放大器。最大输出功率最大输出功率是在指定的时间、特定的信号频率以及总谐波失真(THD)条件下，放大器所能提供的功率。例如：联邦商业委员会(FTC)规定，在测试功率之前，首先输出1kHz的正弦信号、输出功率为额定功率的1/8，预热1小时。然后，由放大器输出满足特定THD和频率范围要求的额定功率5分钟。负载通常为一个4Ω或8Ω电阻，具体取决于扬声器的标称阻抗。因为大多数电视机没有外部扬声器的连接端，无法测试其功放输出，也没有功率测量的法定标准。通常，标称功率的测量使用1kHz、THD小于10%的信号，功率输出至少10分钟。热稳定性该测试提供电视机的整体热容量，电视机被放置在一个最高环境温度(典型值为+40°C)的温箱内，电视机内部的温度会更高，因而放大器的工作温度略高于环境温度。电视机通常使用原配的扬声器。测试采用了不同的信号波形和幅度。这种功能测试通过评估温度模板检验潜在的危险因素。这个测试需要持续几个小时，从而建立各部分的最终温度。然后，用红外温度计或热电偶进行检测，最后将测量结果与安全规范(例如：最大PCB温度或结温)进行比较。热稳定测试中，无论是功放还是扬声器都不允许任何损坏。测试信号热稳定性测试力图仿真最恶劣的工作环境，此时，音频信号可能来自DVD和电视广播设备，但工程师需要使用标准的信号源，以便每次测试时得到相同的结果。建立最终的条件后，测试应保证稳定的温度读数。当正弦波建立稳定的读数后，它们并不是模拟音乐或语音信号源，因为这些信号的幅度是随时间变化的，信号幅度范围从静音到过驱动(箝位)。幅度分布由振幅因数描述，它是(音乐或语音信号源)峰值功率与平均功率的比值，用dB表示，以下统称为峰均比。可以考虑下面表1列出的信号。表1.真实信号及其对应的峰值敲Si睁ne伪w曾av蜓e戴3d牙B禁Pe麻ak民v钟al旁ue役o叶f债si伸ne台w跪av叼es夫i厉s鼠1.滑42尤x培hi嚷gh举er惠t怎ha罗n练th胁e可RM秤S菜v牌al裕ue慌.龙Si忧ne贿w破av雷e抬cl日ip绒pe淘d碗to卵1咳0%汁T水HD英1.凉9d毙B攻Cl烈ip聪pi叠ng特r愿ed亚uc伐es势t宵he镜p狂ea毅k溪by掘2撞3%袄,灶th除e货RM乓S共va苏lu柄e边on笼ly纷b徐y哪12突%额of狭t灶he攻ir菠u手nc披li丘pp价ed泽v饶al珍ue悼s.脆T胳hi抽s溜re姐du垄ce敌s妇th桂e偏ra礼ti趣o碧by狸1冻.1躁dB煮.亚Sq烫ua积re坛w禽av猎e矛0d假B扑Th葵e棵ab摩so惩lu傻te剧v刺ol院ta妹ge璃i座s盆co寿ns穴ta狐nt贷,垃th孝er纯ef活or么e串pe辉ak非s彼eq穿ua跪l幕th死e疗RM息S净vo负lt纪ag汗e.桑Bu剩rs咽t屈si县gn捕al败,麻50以%糟du罩ty雪c住yc喉le结3d浮B约mo迹re桥t肆ha银n续co袍nt魔in叶uo彩us声s幅ig封na陈l定Th烂e语RM顿S跟of越1蔬(站on宪)纪an愤d鼓0窝(o群ff花)垂is象0传.7跃07店.第Re昂du弊ci估ng撒t概he亡R宝MS蓬v个al唱ue总b宫y浅3d区B螺wh泉il夺e扔ke辅ep引in剪g也th革e垂pe朗ak添v趟al贴ue饲i漂nc遍re使as茂es胆t拾he度r今at馆io撒b皆y乞3d受B.貌Pi厌nk谣n雁oi兰se遮~1本2d洗B杰Id夜ea唯l很no东is烦e倍ha际s华Ga王us眨si庄an晌a档mp蛮li僵tu陡de鸭d回is唉tr尾ib钻ut鼠io权n认an泳d,符t成he庙re牧fo腹re控,圆in现fi威ni翁te年p市ea恰ks良a揭nd泥c忙re熟st搅f泛ac借to矮r.预R脸ea灰l僵im薄pl伟em湿en蛙ta云ti榆on贼s秘(n谱oi兔se银g叔en瞧er吨at耐or扮s,轻t待es萝t探CD耕s)执h绩av存e泪ap摧pr镰ox宰im艺at悔el总y记12袋dB蛾.超Ro丙ck弟m费us度ic杆Up寿t舟o恰12苹dB谱Th童is趟v享al宜ue沟i狼s森fo炼un酬d方wh植en邻a选na视ly孩zi林ng扔h亭ea瓜vy纪m督od址ul姐at犁ed遣c喂om字me昼rc漫ia尖l向au司di荷o归CD畜s.按照表1，可以得到与真实信号非常接近的仿真信号。到目前为止，我们一直都在讨论信号源，而我们真正关心的是对应于放大器输出信号的热性能。信号链路有音量和声音控制，允许提供一定增益，但是固定的电源电压限制了峰值输出电压，因此，当我们调高音量时，峰值被削波，而平均功率增大，所以峰均比下降(不同于放大器的输入信号)。最小峰均比取决于用户能够接受的音频失真程度和设备所能提供的最大增益。消费类电子中，测试信号的最小峰均比最好出现在最恶劣的情况下。扬声器制造商经过调查研究，发现了一些合适的测试信号。扬声器必须能够处理放大后的信号，而且不会损坏或出现严重的失真。大部分制造商遵循IEC268-5标准，该标准定义了测试信号：pink噪声(经过滤波(40Hz高通、5kHz低通，2阶)后的混合频率信号)接近于音乐的频谱分布(图1)。图1.IEC268-5噪声频谱密度IEC268-5测试信号有6dB的峰均比，被视为最差指标。扬声器能够处理的这个信号的平均功率称为“连续功率”指标，但大部分制造商公开的是“节目功率”，功率高出3dB，采用闪烁信号(一分钟打开，一分钟关断)测试，因此，扬声器能够处理峰均比为9dB的钳位信号。峰值功率(用峰均比表示)是放大器能够提供的峰值输出功率。放大器的额定输出功率用正弦波测试，其峰均比为3dB；可处理的连续功率比额定放大器功率低6dB。最差情况下，整个装置的连续测试信号为IEC268噪声，其RMS功率比峰值功率低9dB，比最大正弦波功率低6dB，这是正弦波测试的最大输出功率。设计放大器的热容量时，不必考虑高于扬声器所能处理的功率。集成放大器通常带有热保护，功放过热时将放大器置于静音状态，功放冷却后自动恢复工作。因为放大器过载可能导致放大器永久性损坏，放大器的热保护门限应低于扬声器保护的实际功率。放大器类型电视机使用的音频功放有两种类型：AB类和D类。我们将分析这两种类型的放大器在上述测试中的性能。AB类功放是一种低成本方案，但这类放大器存在较大功耗，需要大的散热器。D类功放效率较高，缺点是价格昂贵。不过，这一缺陷可以通过一定方式补偿，因为D类放大器对散热要求不高(仅需小尺寸散热器或无需散热器)，IC封装尺寸也更小。此外，由于系统必须通过热测试，所以还需考虑测试成本问题。为了简化两类放大器的比较，我们假设两种放大器都使用FET(而非双极型)晶体管作为输出级，在给定的电源电压(VCC)、负载(RL)和晶体管导通电阻(RDSON)下，两类放大器的最大输出电压也相同，即最大输出功率相同。假设采用桥接负载(BTL)输出，流过两个晶体管、RDSON的输出电流加倍(图2)。图2.BTL放大器的输出级两类放大器的功耗相差较大，假定输出电压为Ua(输出功率P=Ua²/RL)，我们首先从直流分析入手。AB类Dab=[(Ua/Rl)×(VCC-Ua)]+IQ×VCC功耗等于输出电流乘以输出晶体管的压降。D类Dd=(Ua/Rl)²×2×RDSON+IQ×VCC功耗主要是电阻损耗，(输出电流)²×R。两类放大器都有一个公共项：IQ×VCC，其中IQ是静态电流。AB类放大器利用这个电流降低交越失真，而对于D类放大器，该电流代表开关损耗。两类放大器具有相同的静态电流幅度。通过仿真我们可以进行深入分析，选择一个通用的TV装置，采用12V电源、8Ω扬声器，具体参数如下：VCC=12VRl=8ΩRDSON=0.3ΩIQ=0.02A首先，通过下式计算效率：勺图3老给出课了正君弦输队入时油的效瓦率以泥及输逮出信焦号失衫真，门失真云是由泊于钳律位造泥成的嫌，即势电源亭电压津的限窑制产填生的行。市图3胆.钟效率非与输吊出功室率钻下式何用于敲计算冶输出柄信号制的最狮大摆孩幅：携尸总谐跳波失蒙真为盯10澡%时只，输袋出功炭率为碎10延W，理这时渡的输企出功辫率被暑认为酸是系裙统的爪最大驼输出违功率姐。谱从图边3可协以看肆出，挠D类饶放大妥器比驶AB蝴类放上大器贞具有撤更高纹的效饱率，传图中既仅在蚀两个滋工作茅点处补D类恨放大室器的奔效率馅没有可超出竹AB总类放淋大器温：眠零输克入：晓两类抛放大梨器的尸功耗映为静券态功乌耗，矛假设送二者非相同婆。羊无限逢过载版：即希使是膊AB旦类放笋大器药也产餐生方押波输度出，紫晶体管管处叠于饱墓和状堵态，管此时励两类肚放大特器具柿有相艰同效昼率、播功耗白、输强出功研率(奴15尖.5炉6W岩)及脏失真剥(4辉3.滔5%另)。出丧对于停电池悼供电肚产品暂，效恶率是毫至关炼重要闷的指与标，混电源悔设计讲人员格更加育关注巷放大左器的怎功耗荣。关图4洞给出钢了正锄弦输趁入时赌，两穷类放欢大器熊在不巡同增横益下目的功孔耗曲记线。垦图4抹.卫功耗承与输取出功圈率起额定周输出许功率糊10宅W时端，A柳B类挺放大业器的鬼功耗嗽为2悟.5侧3W读，D剂类放联大器涨的功族耗为名0.鸭99追4W肉。输老入信售号电吼平较迅低时捧，D母类放恋大器容功耗滨降低使，而猫AB感类放式大器恶功耗纱增大吐。语当放谱大器炎用来量放大味音乐巧或语管音信羽号时岛，这着些结芹果与问实际辨情况酿如何喊关联办呢?壶通著过噪薯声信信号可奶以很廊好地跟模拟楚实际否信号织，它匪与音缎乐信蓄号具烧有相炎同的舰幅度嘱分布座，结涨果相薄同。家为了叶对比窗实际乎的收坑听效凯果和膜扬声怠器的辩功率睬处理甩能力览，将坊x轴唇从输饺出功闻率更巡改为谷峰均棋比，戏峰均蔽比给末出了照系统阵平均伐输出吸功率素和峰红值输诉出功麦率(订15轧.5胁6W叉)的涛关系他。扰理想庄的噪堤声源新峰均精比为悲无穷箩大，皮其幅胸度变脸化符嚷合“限正态填分布雪”，焰但峰义值没圈有限从制。翼当信纷号通旬过仿为真放龟大器燥时，体信号酬分布软会发嫌生变霞化—鸽输出阳信号抛幅度也受到垂电源扭电压毛的限冶制。科系统男增益群变化侨时，月均值呜(R线MS轨)电鲁压随甘之改拳变。边如果化峰值蛛保持样不变还，增谁大R树MS春电压坝将减匀小峰服均比羊。桶高峰张均比华时很罩少发休生削灰波，吼但当嗽增益妻提高趟时通计常会贸发生逢削波劳。磨图5留给出拜了3钞dB仆峰均益比下氏的噪今声，远输出吗信号峰被严味重削国波。邻图5怀.赶3d擦B峰杰均比口噪声罪经过匠放大具后的域信号粒仿真歌时，衣我们是并不幼关心萄噪声拘的频讲谱，浅实际谱测试轿使用熔了I悼EC小2好68胁-5店信号刊，因港为有浸些放谢大器倦会降东低高表频部船分的仁效率升。肝改变吨增益歌时，都可以鲁计算榴可能爸造成便的峰探均比线消耗币(见奶图5蜂)。感图6镰.花功耗练与功弱率密蹦度(取峰均氧比)我图6桃显示锹从左故至右镇功耗肠增大示，随辰后，罢由于牺峰均蚀比降苏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