消除热迟滞和偏置调整的音频放大电路设计方法

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本文介绍了采用安森美ThermalTrak器件消除高保真度大功率音频放大器中的热迟滞和偏置调整的新设计方法。

对于设计高保真音频放大器而言，一直以来存在的挑战是保持输出偏置，同时在放大器的整个工作温度范围内将热稳定性保持在AB输出部分内。为了充分地监控并调节每个输出器件产生的热量，设计工程师在靠近输出器件的散热器上放置一个偏置晶体管(或多个晶体管) 。这种设计方法的缺点是在达到热稳定之前不可避免会有延迟，在某些情况下，这种预热时间会长达30分钟。另外，放大器设计需要使用轻微欠偏置输出器件来进一步调整，避免热散失。虽然这些可行的设计技术能完成设计任务，但是会牺牲真正的高保真度性能。
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图1：标准单通道音频放大器方案。

消除大功率音频放大器中的热迟滞和偏置调整需要更精确的偏置控制，而挑战就在此处。图1所示的高性能放大器电路是目前业内使用的标准设计。该设计已经修改，以提高低阻抗负载中的性能并保持稳定。

实际的偏置电路由一个位于驱动器(TO-220)之间散热器上的小信号晶体管组成，这种设计的偏置稳定性要求偏置设置在避免产生热散失且不低于产生交越失真(crossover distortion)的点上。偏置晶体管上的实际压降被设置在发射极和集电极之间的3.2伏。不仅如此，当放大器驱动到低阻抗负载时，会发生少量热散失，这是由散热器中少量的热迟滞引起的。为了改善放大器的小信号失真，需要稍微增大偏置。

由于输出器件的发射极电阻最小(0.1Ω) ，使得在生产环境中难以处理，因为偏置稍大就产生一个热“炸弹”。目前业界实现了很多种电路用于减小这种热效应，但都会增加系统成本。

新的设计方法(图2)可用于消除热迟滞，并提高放大器性能和可靠性，而且不增加元件数量。新方法通过将偏置二极管集成到输出晶体管中，可以更加精确地监控实际的裸片工作温度。现在只要实时地对任何变化进行补偿，就可以立即控制偏置。因为偏置电流可以迅速地进行调整，因此无需担心因为散热器造成的热散失或热迟滞。这种修改对电路的另一个优点是它可以在没有偏置调节电位器的条件下实现，这也减少了生产步骤并确保达到静态偏置点。

在这个修改后的电路设计中去除了无源元件和有源偏置晶体管，由集成到输出晶体管内的二极管代替，这样的结果是稳定的偏置电流和非常精确的静态电流可以瞬间调节至负载和信号电平。较低输出电压处的失真也大大降低，放大器的噪声基准也因过零电压处没有震荡而得到改善。
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图2：单通道音频放大器ThermalTrak方案。