為實(shí)現(xiàn)音質(zhì)補(bǔ)償和保護(hù)的高電壓D類放大器輸出電流監(jiān)控電路設(shè)計
發(fā)布日期:2022-05-20
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電路中的電流信息可提供有關(guān)電路狀況的有用信息。電流監(jiān)控電路廣泛用于各種儀器儀表領(lǐng)域，以便實(shí)現(xiàn)保護(hù)、補(bǔ)償和控制。電流監(jiān)控的常見應(yīng)用有電池監(jiān)控系統(tǒng)、電機(jī)控制、過流保護(hù)和4 mA至20 mA系統(tǒng)，等等。此外，電流監(jiān)控在音頻等商業(yè)應(yīng)用中也很有用。此類應(yīng)用之一是監(jiān)控音頻放大器輸出到揚(yáng)聲器的電流，以便提供音質(zhì)補(bǔ)償和保護(hù)。
音頻放大器必須以高效率、低失真的方式再現(xiàn)輸入音頻信號。在20 Hz到20 kHz音頻頻率范圍內(nèi)，它應(yīng)具有良好的頻率響應(yīng)性能，以便忠實(shí)地再現(xiàn)聲音和音樂。音頻放大器可能需要提供從數(shù)毫瓦(用于個人音樂播放器和耳機(jī))到數(shù)百瓦(家用和商用音響系統(tǒng)，如劇院、會堂、室外音響系統(tǒng)等)不等的輸出功率。本文聚焦于工作在高電壓范圍的揚(yáng)聲器輸出電流監(jiān)控電路，該電路使用的主要器件是D類放大器、差動放大器AD8479和ADA4805-1。
基本的D類放大器信號流程
音頻放大器分為多個類別：A類、AB類、B類和D類。與其他類別放大器相比，D類放大器效率 高，可提供高輸出功率驅(qū)動。某些商用D類放大器提供每通道1500 W到每通道6000 W的功率能力。
D類放大器可以簡單地描述為開關(guān)放大器或脈寬調(diào)制(PWM)放大器。下圖顯示了一個基本D類放大器的信號流程。
典型D類放大器的工作過程是從比較器開始。一個頻率通常介于20 Hz到20 kHz的標(biāo)準(zhǔn)模擬音頻信號與一個高頻三角波形比較以產(chǎn)生PWM信號。隨后，PWM信號驅(qū)動輸出晶體管，產(chǎn)生一系列電壓可能很高的脈沖。 后，一個低通濾波器恢復(fù)正弦音頻信號。不切換時，通過輸出晶體管的電流為0；低導(dǎo)通電阻降低I2R損耗，從而顯著減少輸出級的總功率損耗。這樣便可實(shí)現(xiàn)高效率。
即使D類放大器具有高效率和高功率運(yùn)行優(yōu)勢，某些技術(shù)仍能改善音頻質(zhì)量，例如使用反饋和預(yù)失真機(jī)制。下圖顯示了一個使用反饋機(jī)制的基本D類放大器。在反饋機(jī)制中，輸出信號(通常來自濾波器)被送至輸入端的誤差校正模塊。誤差校正模塊可以是全模擬式，或者采用數(shù)字處理故意使音頻信號預(yù)失真，從而校正輸出瑕疵并改善音頻輸出質(zhì)量。除了?揚(yáng)聲器的固有非線性之外，揚(yáng)聲器阻抗因?yàn)闇囟群屠匣兓内呄蛞部赡芤疬@種瑕疵。
電流監(jiān)控電路可以獲取要反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正。選擇適合這種用途的器件的挑戰(zhàn)在于：器件必須足夠魯棒以便接收音頻放大器輸出端的高壓脈沖。AD8479可以滿足這一要求，因?yàn)榧词勾嬖诟咻斎牍材ｋ妷海材芄ぷ?。電路中還加入了ADA4805-1，作為低失調(diào)、低噪聲的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)驅(qū)動器。
AD8479是一款精密差動放大器，即使存在高達(dá)±600 V的共模電壓，它也能 測量差分信號。圖3所示的輸入共模電壓與輸出電壓的關(guān)系曲線表明了這種能力。它具有以下特性：低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移、低增益誤差漂移、出色的共模抑制比(CMRR)和寬頻率范圍。在本應(yīng)用筆記中，AD8479配置為高端電流檢測放大器，用于監(jiān)控D類音頻放大器的電流。AD8479同時具有130 kHz的帶寬，可滿足音頻應(yīng)用的帶寬需求。
采用AD8479和ADA4805-1的電流監(jiān)控電路
ADA4805-1是一款低輸入失調(diào)電壓和低輸入失調(diào)電壓漂移軌到軌放大器。ADA4805-1的增益設(shè)置為10，產(chǎn)生的輸出電壓通常在下 的輸入電壓范圍內(nèi)。下 通常使用逐次逼近型(SAR) ADC來處理音頻信號。所用的D類放大器為一款25 W到500 W可擴(kuò)展輸出功率D類功率放大器。該放大器配置±50 V電源電壓，提供1 kHz正弦輸出。AD8479輸出饋送到ADA4805-1輸入，后者用作ADC驅(qū)動器，增益為10。電阻容差應(yīng)較低，以免電路產(chǎn)生較大失調(diào)漂移。
對于本電路所用的D類放大器，流經(jīng)檢測電阻(RSENSE)的電流為4.74 A，產(chǎn)生475.71 mV峰值的滿量程電壓。共模電壓為37.9 V峰值。
電流監(jiān)控的主要誤差源分析
CMRR表示器件抑制各輸入端共模干擾信號的能力。數(shù)學(xué)上，它指共模增益變化與差分增益之比。如果存在高共模電壓，尤其是當(dāng)測量小差分信號時，此參數(shù)常常是 大的誤差貢獻(xiàn)因素之一。CMRR產(chǎn)生一個對應(yīng)的輸出失調(diào)電壓誤差，該誤差是系統(tǒng)總誤差的一部分。AD8479的額定CMRR為96 dB。另一個誤差源是失調(diào)電壓。滿量程信號越小，失調(diào)電壓貢獻(xiàn)的誤差越大。
AD8479的輸入失調(diào)電壓為1 mV，轉(zhuǎn)換為ppm時，貢獻(xiàn)滿量程(FS)的2102 ppm。ADA4805-1引入125 μV失調(diào)電壓，其乘以增益10，故而失調(diào)電壓引起的總誤差為滿量程(FS)的3352 ppm。此外，數(shù)據(jù)手冊顯示AD8479具有0.02% FS的增益誤差，因而AD8479給電路帶來的誤差為200 ppm FS。
表1和表2分別匯總了AD8479和ADA4805-1的主要誤差源。AD8479失調(diào)電壓貢獻(xiàn)的誤差 大，在37.9 V輸入共模電壓下，其為2102 ppm FS。共模電壓貢獻(xiàn)的誤差為1262 ppm FS。這里，對于37.9 V共模電壓和0.1 檢測電阻(參見圖1)，失調(diào)電壓貢獻(xiàn)的誤差 大，輸入共模電壓次之，不過，如果共模電壓更大，它將成為 大的誤差來源。例如，在250 V共
模電壓下，共模誤差貢獻(xiàn)為8329 ppm FS。對于高電壓D類放大器，這種共模電壓是很常見的。此外，檢測電阻越大，其引起的壓降越大，導(dǎo)致滿量程電壓提高，這 終會降低所有誤差貢獻(xiàn)。
下圖顯示了電流檢測電路的響應(yīng)測試結(jié)果。其中還包括AD8479的輸入電壓、AD8479的輸出電壓和ADA4805-1輸出端的放大信號。大約4.74 A的電流流入檢測電阻和負(fù)載。反相輸入端信號約為±38 V，大約±500 mV出現(xiàn)在AD8479輸出端，這顯示了AD8479在高共模電壓存在的情況下測量差分信號的能力。
實(shí)測電流和電壓
實(shí)時監(jiān)控不僅需要高 器件，還要求快速響應(yīng)，以便應(yīng)對目標(biāo)電流的突然變化。輸出信號的變化速度必須跟得上輸入信號的變化速度，這就需要在很短的時間內(nèi)正確解讀揚(yáng)聲器的電氣狀態(tài)，甚至短路事件。
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