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为实现音质补偿和保护的高电压D类放大器输出电流监控电路设计

关键词:消费电子 D类放大器 音频放大器 扬声器

时间:2021-06-04 16:09:46      来源:网络

电路中的电流信息可提供有关电路状况的有用信息。电流监控电路广泛用于各种仪器仪表领域,以便实现保护、补偿和控制。电流监控的常见应用有电池监控系统、电机控制、过流保护和4 mA至20 mA系统,等等。此外,电流监控在音频等商业应用中也很有用。此类应用之一是监控音频放大器输出到扬声器的电流,以便提供音质补偿和保护。

电路中的电流信息可提供有关电路状况的有用信息。电流监控电路广泛用于各种仪器仪表领域,以便实现保护、补偿和控制。电流监控的常见应用有电池监控系统、电机控制、过流保护和4 mA至20 mA系统,等等。此外,电流监控在音频等商业应用中也很有用。此类应用之一是监控音频放大器输出到扬声器的电流,以便提供音质补偿和保护。

音频放大器必须以高效率、低失真的方式再现输入音频信号。在20 Hz到20 kHz音频频率范围内,它应具有良好的频率响应性能,以便忠实地再现声音和音乐。音频放大器可能需要提供从数毫瓦(用于个人音乐播放器和耳机)到数百瓦(家用和商用音响系统,如剧院、会堂、室外音响系统等)不等的输出功率。本文聚焦于工作在高电压范围的扬声器输出电流监控电路,该电路使用的主要器件是D类放大器、差动放大器AD8479和ADA4805-1。

基本的D类放大器信号流程

音频放大器分为多个类别:A类、AB类、B类和D类。与其他类别放大器相比,D类放大器效率  高,可提供高输出功率驱动。某些商用D类放大器提供每通道1500 W到每通道6000 W的功率能力。

D类放大器可以简单地描述为开关放大器或脉宽调制(PWM)放大器。下图显示了一个基本D类放大器的信号流程。

典型D类放大器的工作过程是从比较器开始。一个频率通常介于20 Hz到20 kHz的标准模拟音频信号与一个高频三角波形比较以产生PWM信号。随后,PWM信号驱动输出晶体管,产生一系列电压可能很高的脉冲。  后,一个低通滤波器恢复正弦音频信号。不切换时,通过输出晶体管的电流为0;低导通电阻降低I2R损耗,从而显著减少输出级的总功率损耗。这样便可实现高效率。

即使D类放大器具有高效率和高功率运行优势,某些技术仍能改善音频质量,例如使用反馈和预失真机制。下图显示了一个使用反馈机制的基本D类放大器。在反馈机制中,输出信号(通常来自滤波器)被送至输入端的误差校正模块。误差校正模块可以是全模拟式,或者采用数字处理故意使音频信号预失真,从而校正输出瑕疵并改善音频输出质量。除了?扬声器的固有非线性之外,扬声器阻抗因为温度和老化而变化的趋向也可能引起这种瑕疵。

电流监控电路可以获取要反馈的数据进行误差校正。选择适合这种用途的器件的挑战在于:器件必须足够鲁棒以便接收音频放大器输出端的高压脉冲。AD8479可以满足这一要求,因为即使存在高输入共模电压,它也能工作。电路中还加入了ADA4805-1,作为低失调、低噪声的模数转换器(ADC)驱动器。

AD8479是一款精密差动放大器,即使存在高达±600 V的共模电压,它也能  测量差分信号。图3所示的输入共模电压与输出电压的关系曲线表明了这种能力。它具有以下特性:低失调电压、低失调电压漂移、低增益误差漂移、出色的共模抑制比(CMRR)和宽频率范围。在本应用笔记中,AD8479配置为高端电流检测放大器,用于监控D类音频放大器的电流。AD8479同时具有130 kHz的带宽,可满足音频应用的带宽需求。

   

采用AD8479和ADA4805-1的电流监控电路

ADA4805-1是一款低输入失调电压和低输入失调电压漂移轨到轨放大器。ADA4805-1的增益设置为10,产生的输出电压通常在下  的输入电压范围内。下  通常使用逐次逼近型(SAR) ADC来处理音频信号。所用的D类放大器为一款25 W到500 W可扩展输出功率D类功率放大器。该放大器配置±50 V电源电压,提供1 kHz正弦输出。AD8479输出馈送到ADA4805-1输入,后者用作ADC驱动器,增益为10。电阻容差应较低,以免电路产生较大失调漂移。

对于本电路所用的D类放大器,流经检测电阻(RSENSE)的电流为4.74 A,产生475.71 mV峰值的满量程电压。共模电压为37.9 V峰值。

电流监控的主要误差源分析

CMRR表示器件抑制各输入端共模干扰信号的能力。数学上,它指共模增益变化与差分增益之比。如果存在高共模电压,尤其是当测量小差分信号时,此参数常常是  大的误差贡献因素之一。CMRR产生一个对应的输出失调电压误差,该误差是系统总误差的一部分。AD8479的额定CMRR为96 dB。另一个误差源是失调电压。满量程信号越小,失调电压贡献的误差越大。

AD8479的输入失调电压为1 mV,转换为ppm时,贡献满量程(FS)的2102 ppm。ADA4805-1引入125 μV失调电压,其乘以增益10,故而失调电压引起的总误差为满量程(FS)的3352 ppm。此外,数据手册显示AD8479具有0.02% FS的增益误差,因而AD8479给电路带来的误差为200 ppm FS。

表1和表2分别汇总了AD8479和ADA4805-1的主要误差源。AD8479失调电压贡献的误差  大,在37.9 V输入共模电压下,其为2102 ppm FS。共模电压贡献的误差为1262 ppm FS。这里,对于37.9 V共模电压和0.1 检测电阻(参见图1),失调电压贡献的误差  大,输入共模电压次之,不过,如果共模电压更大,它将成为  大的误差来源。例如,在250 V共

模电压下,共模误差贡献为8329 ppm FS。对于高电压D类放大器,这种共模电压是很常见的。此外,检测电阻越大,其引起的压降越大,导致满量程电压提高,这  终会降低所有误差贡献。

下图显示了电流检测电路的响应测试结果。其中还包括AD8479的输入电压、AD8479的输出电压和ADA4805-1输出端的放大信号。大约4.74 A的电流流入检测电阻和负载。反相输入端信号约为±38 V,大约±500 mV出现在AD8479输出端,这显示了AD8479在高共模电压存在的情况下测量差分信号的能力。

实测电流和电压

实时监控不仅需要高  器件,还要求快速响应,以便应对目标电流的突然变化。输出信号的变化速度必须跟得上输入信号的变化速度,这就需要在很短的时间内正确解读扬声器的电气状态,甚至短路事件。

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