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发表于 2009-1-13 | |阅读模式
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功放IC的正确使用方法


80年代以前,输出功率仅几瓦的声频功率放大器都要采用分立元件来制作。进入80年代后,国内开始研制生产出一些小功率的功放IC,但由于这些功放IC的性能指标不佳,尤其是可靠性比较差,很快就被国外生产的功放IC所取代。日本生产的HA1392、TA7240曾经是80年代用得非常普遍的功放IC。HA1392与TA7240的输出功率都只有4W ~ 6W。HA1392的工作频率上限较低,电源极性接反就即刻损坏。TA7240的外围电路设计难度较大,静音控制易受外界干扰而产生误动作。意法SGS公司在80年代初开发生产的TDA2030A算是比较好的一款功放IC,它的输出功率能够达到12W以上。尽管SGS公司在TDA2030A基础上又研制出TDA2040、TDA2050功放IC,使输出功率能够达到24W,但由于它们的电源适用范围只有±22V,如果使用未经稳压的整流滤波直流电供电,它们实际上都只能给4Ω负载输出12W功率。美国NS公司在80年代开发生产的LM1875功放IC,比SGS公司生产的TDA2030A功放IC输出功率高出一倍,原因就在于它的电源适用范围可以达到±30V。如果使用稳压直流电供电,TDA2030A与LM1875实际上都能在±18V供电条件下给4Ω负载输出24W正弦波有效功率。而且提高供电电压,除了使LM1875在更低的输出功率下发生功耗过载保护动作外,并不能增大输出功率。作为早期开发的功放器件,TDA2030A与LM1875都没有静音控制功能,对电源纹波的抑制能力也不够强。荷兰菲利普公司在意法SGS公司推出TDA2030A之后不久,也开发生产出一款性能指标类同的TDA1521Q双功放IC。该款功放IC的电源适用范围也是±22V,能够同时给两个4Ω负载分别输出12W功率。由于TDA1521Q已把决定放大倍率的负反馈电路做在IC内部,使用上相对比较简便。此后,菏兰菲利普公司又推出一款型号为TDA1514A的高性能功放IC,产品介绍资料上称它能够输出40W的功率。但是,实际的使用实验证明:在使用稳压直流电源供电的情况下,TDA1514A能够可靠工作的电源电压只到±18V,给4Ω负载输出的正弦波有效功率为24W。如果将电源电压提高到±20V以上电压,TDA1514A将出现过载保护动作,而且所进行的过载保护动作表现为半波截止输出。这样,人们只能把TDA1514A的工作电压设计为与LM1875相同的工作电压。
   在90年代以前,电子器件生产厂商提供的功放IC输出功率实际都在30W以下。在经过10多年的努力后,美国NS公司和意法SGS公司都在90年代期间相继开发生产出多款输出功率超过30W的功放IC芯片。其中,LM3876、LM3886是美国NS公司的代表作,TDA7294、TDA7295、TDA7296是意法SGS公司的代表作。这些功放IC芯片都具有很小的安装体积和多项安全保护功能,使用上很可靠。但同时也正因为功放IC芯片需要有很可靠的过热、过流、过压、过功耗等多项安全保护功能,生产厂家在设计IC芯片的内部保护电路时,可能会因为所采取的检测方式过于敏感或欠成熟,出现一些不够良好的问题。生产厂家没有在其产品介绍说明中将这些缺陷写出来,固然有可能是不希望自己的产品销售受到影响,但更多的原因是他们自己也未必发现了这些缺陷,而需要用户在使用过程中将发现的问题反馈给生产厂家,他们再去改进开发新的器件。譬如,美国NS公司的音响工程师曾给我推荐使用他们生产的功放IC,其中有一款型号为LM4701(样品型号为LM4700),该款功放IC据说是替代LM1875的器件,它具有静音控制功能,输出功率比LM1875高。但实际的使用证明:LM4701在推动4Ω负载时能够正常工作,不出现误保护动作的电源电压不可以超过±20V,最大输出功率只有20W。如果电源电压超过±20V,譬如为±22V时,输出功率不但不会增大,100Hz以下低声频段能够正常输出的功率会降低到只有10W。虽然在±26V稳压电源供电下,LM4701可以给8Ω负载输出25W功率,但因其电源实用范围只有±32V,在使用非稳压直流电源供电情况下,LM4701可以给8Ω负载输出的功率还达不到20W。又譬如,意法SGS公司生产的TDA7264双功放IC,产品介绍资料中标明它的最高工作电压为±25V,最大输出电流为4A,比TDA2030A的性能指标(最高工作电压为±22V,最大输出电流为3.5A)要高。但实际的使用证明:TDA7264在推动4Ω负载时,能够可靠工作,不出现误保护作的电源电压不可以超过±15V,相应的输出功率只有2×12W。此外,TDA7264工作时器件上的发热温度(测试点放在IC金属片上)应保持在70℃以下。否则, TDA7264的内部过热保护电路会因为IC在较高的发热温度下工作产生累积效应,在连续工作30分钟后出现“软保护”而使其能够输出的功率降低到正常值的1/4以下。本来,理想的过热保护功能应该是在功放IC的发热温度达到最高允许值时关断输出,待其温度冷却至比最高允许值低若干度时重新恢复输出。TDA7264工作之后,发热温度在短时间内达到110℃也没有出现过热保护,工作情况良好,人们会因此误认为TDA7264具有很好的温度特性而降低对它的散热要求。美国NS公司在80年代生产的LM1875功放IC虽然没有静音功能,但其内部设计的过热保护功能已接近理想要求,因此直到如今还继续被音响生产厂大量选用。但是美国NS公司在90年代生产的LM3875、LM3886大功率功放IC,在过热保护功能方面的表现却很令人失望!尤其是采用陶瓷绝缘封装的功放IC,因其导热状况不佳,LM3875在推动4Ω负载时,连10W以上的正弦波额定功率都不能连续
输出。就是改成8Ω负载,陶瓷绝缘封装的LM3875能够正常输出30W正弦波额定功率的时间也仅能维持几秒钟就开始出现杂波。同样,陶瓷绝缘封装的LM3876,在推动4Ω负载时能够正常输出40W正弦波额定功率的时间也只能维持几秒钟就开始出现杂波。必须使用金属片导热的封装器件,并保持功放IC金属片上的发热温度不超过85℃,LM3875(或LM3876)、LM3886才能分别给4Ω负载正常的长期输出30W与50W正弦波额定功率。因此,人们在使用LM3875、LM3886等功放IC器件时,一定要给它们配上足够大的散热器。同时,用于给功放IC金属片绝缘的导热片厚度应尽可能薄,不要超过0.3mm,这样才能确保功放IC与散热器之间的温差只有几度。
  意法SGS公司在80年代生产的TDA2030A功放IC,在过热保护方面的表现比美国NS公司生产的LM1875略差,它的特点就是当功放IC金属片上的发热温度超过105℃时输出信号波形上将出现杂波。而LM1875功放IC在发热温度低于最高允许值时,输出信号波形始终保持正常。只有当IC金属片上的发热温度达到115℃后,LM1875功放IC才关断输出。TDA2030A功放IC金属片上的发热温度也是要达到115℃后才关断输出,所以它有一个不稳定工作的温度段,好在这个温度段已经是很高的温度,对使用没有明显的影响。令人感到欣慰的是,意法SGS公司在90年代推出的TDA7296、TDA7295、TDA7294几款实际输出功率都能达到50W的功放IC,在过热保护方面的表现已经做得非常良好。它们在功放IC的发热温度低于最高允许值时,输出信号波形都始终保持正常良好。必须在功放IC金属片上的发热温度达到115℃之后,它们才关断输出。相对于其它大功率放大IC来说,意法SGS公司生产的TDA7296、TDA7295、TDA7294确实是其中的佼佼者。

《电子制作》在2000年第7、8两期连续刊登了我设计的“200W电子三分频高品质有源音响”后,许多爱好者来信询问为什么没有给它设计音量调节电路。其实,我在推出200W、50W、18W系列电子三分频高品质有源音响之时,已经设计了可供它们通用的音量调节电路。我之所以没有马上将其介绍给大家,原因是需要进行反复地仔细研究后,才可以把最佳的作品提供给爱好者去仿做。 对音响电路有过研究的人,大都知道TA8184、LM1036、TDA1524这些专用于音量控制的直流音调IC。其中,TA8184的性能指标最好。LM1036的音质也不错,但它的左右声道平衡不够好、相差可能超过2db。LM4016 是LM1036的升级品,增加了3D环绕声处理功能。TDA1524的音质不佳,听感上明显单薄,人们一般不选用它。由于这些直流音调IC带有高低音调节功能,它们的输出信号峰峰值虽然可以达到8V,但输入信号的峰峰值最大只允许达到3V。然而从CD机输出的音频信号,除小型携带机外,一般都可以输出超过6V峰峰值的音频信号。现代录制的CD音乐节目都频繁出现超过4V峰峰值的音频信号,当把CD机输出的音频信号直接输入这些直流音调IC中时,幅度稍大的信号就要出现削波。为了防止信号削波,必须先将信号源输出的音频信号衰减10db才能输入到直流音调IC中,然后再对直流音调IC输出的信号进行相应的放大,结果是使整机信噪比下降了10db。以TA8184和LM1036来说,它们自身的信噪比在电路设计达到最佳时也只有80db,在经过上述先衰减再放大的处理后,整机的信噪比最多只能达到70db。这样的性能指标,显然达不到高品质音响系统的要求。就是对音质要求较低的多媒体音响系统,由于经常播放幅度大的低音信号,如果不采取先衰减再放大的处理方式,也不宜使用这些曾在上个世纪80年代风光过的直流音调IC了。
  在高品质音响系统中,音量调节是很重要的环节。当音频放大器的信噪比已经做到90db以上时,音量调节器的信噪比如果不够高,整体的播放效果就会受到明显损害。普通电位器由于电阻膜片的空间面积比较大,很容易产生外部感应噪声。当把电位器旋到两端时,电位器产生的感应噪声较小。当把电位器旋到中间常用位置上时,电位器产生的感应噪声最大。实验证明,使用普通电位器做音量调节,在把电位器全部屏蔽起来,直接把信号源输出的音频信号加到电位器上时,整机的信噪比仅能够达到60db左右。要想降低电位器产生的外部感应噪声,只能使用低噪声放大电路将信号源输出的音频信号先放大10倍后,再将它加到电位器上。这样做的难点是前置低噪声放大电路需要使用较高的工作电压,必须超过±40V,才能在不发生信号被削波的情况下提高整机信噪比。由于加在电位器上的音频信号幅度被放大了10倍,在电位器上产生的热损耗也将增大100倍,因此不能再使用普通碳膜电位器,必须改用由若干个金属膜电阻串联构成的有级非连续调节的特制电位器来调节音量。这种特制电位器产生的热噪声比普通碳膜电位器产生的热噪声要低得多,价格也要贵得很多。许多高品质音响系统常采用这种方式来调节音量,但既便如此,整机的信噪比也仅能够达到85db左右,很少能够超过90db。所幸的是,在上个世纪90年代后期,国外已经有多家电子公司生产出新一代的音量调节专用IC。其特点是将一系列微型电阻串联集成在IC内部,通过集成在IC内部的数字电路控制电子开关实现触点切换。由于
集成在IC内部的微型电阻体积非常小,几乎不会产生外部感应噪声,这些音量调节专用IC的信噪比都能达到90db以上,非线性失真不大于0.01%,输入、输出信号的峰峰值都允许达到电源电压值。以典型的音量调节专用IC芯片TC9235或SC9153来说,工作电压取为单9V或双±5V时,输入、输出信号的最大峰峰值可达到9.3V或10.3V,信噪比可达到100db,它们显然是性能良好的音量调节器件。 有了性能良好的新一代音量调节专用IC,人们只要按照生产厂商提供的应用电路进行设计排板,就可以制作出适合高品质音响系统使用的音量调节器了。但是,要把它制作成一个完善的音量调节器,人们还需要把红外遥控电路和音源切换电路也增加上去。
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发表于 2009-1-14 |
功放IC的正确使用方法 厉害!!!:victory:
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