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功放IC的正確使用方法
文章來源: 更新時間:2011/1/18 21:05:00
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 80年代以前,輸出功率僅幾瓦的聲頻功率放大器都要采用分立元件來制作。進入80年代后,國內開始研制生產出一些小功率的功放IC,但由于這些功放IC的性能指標不佳,尤其是可靠性比較差,很快就被國外生產的功放IC所取代。日本生產的HA1392TA7240曾經是80年代用得非常普遍的功放IC。HA1392TA7240的輸出功率都只有4W ~ 6W。HA1392的工作頻率上限較低,電源極性接反就即刻損壞。TA7240的外圍電路設計難度較大,靜音控制易受外界干擾而產生誤動作。意法SGS公司在80年代初開發生產的TDA2030A算是比較好的一款功放IC,它的輸出功率能夠達到12W以上。盡管SGS公司在TDA2030A基礎上又研制出TDA2040TDA2050功放IC,使輸出功率能夠達到24W,但由于它們的電源適用范圍只有±22V,如果使用未經穩壓的整流濾波直流電供電,它們實際上都只能給4Ω負載輸出12W功率。美國NS公司在80年代開發生產的LM1875功放IC,比SGS公司生產的TDA2030A功放IC輸出功率高出一倍,原因就在于它的電源適用范圍可以達到±30V。如果使用穩壓直流電供電,TDA2030A與LM1875實際上都能在±18V供電條件下給4Ω負載輸出24W正弦波有效功率。而且提高供電電壓,除了使LM1875在更低的輸出功率下發生功耗過載保護動作外,并不能增大輸出功率。作為早期開發的功放器件,TDA2030A與LM1875都沒有靜音控制功能,對電源紋波的抑制能力也不夠強。荷蘭菲利普公司在意法SGS公司推出TDA2030A之后不久,也開發生產出一款性能指標類同的TDA1521Q雙功放IC。該款功放IC的電源適用范圍也是±22V,能夠同時給兩個4Ω負載分別輸出12W功率。由于TDA1521Q已把決定放大倍率的負反饋電路做在IC內部,使用上相對比較簡便。此后,菏蘭菲利普公司又推出一款型號為TDA1514A的高性能功放IC,產品介紹資料上稱它能夠輸出40W的功率。但是,實際的使用實驗證明:在使用穩壓直流電源供電的情況下,TDA1514A能夠可靠工作的電源電壓只到±18V,給4Ω負載輸出的正弦波有效功率為24W。如果將電源電壓提高到±20V以上電壓,TDA1514A將出現過載保護動作,而且所進行的過載保護動作表現為半波截止輸出。這樣,人們只能把TDA1514A的工作電壓設計為與LM1875相同的工作電壓。
   在90年代以前,電子器件生產廠商提供的功放IC輸出功率實際都在30W以下。在經過10多年的努力后,美國NS公司和意法SGS公司都在90年代期間相繼開發生產出多款輸出功率超過30W的功放IC芯片。其中,LM3876、LM3886是美國NS公司的代表作,TDA7294、TDA7295、TDA7296是意法SGS公司的代表作。這些功放IC芯片都具有很小的安裝體積和多項安全保護功能,使用上很可靠。但同時也正因為功放IC芯片需要有很可靠的過熱、過流、過壓、過功耗等多項安全保護功能,生產廠家在設計IC芯片的內部保護電路時,可能會因為所采取的檢測方式過于敏感或欠成熟,出現一些不夠良好的問題。生產廠家沒有在其產品介紹說明中將這些缺陷寫出來,固然有可能是不希望自己的產品銷售受到影響,但更多的原因是他們自己也未必發現了這些缺陷,而需要用戶在使用過程中將發現的問題反饋給生產廠家,他們再去改進開發新的器件。譬如,美國NS公司的音響工程師曾給我推薦使用他們生產的功放IC,其中有一款型號為LM4701(樣品型號為LM4700),該款功放IC據說是替代LM1875的器件,它具有靜音控制功能,輸出功率比LM1875高。但實際的使用證明:LM4701在推動4Ω負載時能夠正常工作,不出現誤保護動作的電源電壓不可以超過±20V,最大輸出功率只有20W。如果電源電壓超過±20V,譬如為±22V時,輸出功率不但不會增大,100Hz以下低聲頻段能夠正常輸出的功率會降低到只有10W。雖然在±26V穩壓電源供電下,LM4701可以給8Ω負載輸出25W功率,但因其電源實用范圍只有±32V,在使用非穩壓直流電源供電情況下,LM4701可以給8Ω負載輸出的功率還達不到20W。又譬如,意法SGS公司生產的TDA7264雙功放IC,產品介紹資料中標明它的最高工作電壓為±25V,最大輸出電流為4A,比TDA2030A的性能指標(最高工作電壓為±22V,最大輸出電流為3.5A)要高。但實際的使用證明:TDA7264在推動4Ω負載時,能夠可靠工作,不出現誤保護作的電源電壓不可以超過±15V,相應的輸出功率只有2×12W。此外,TDA7264工作時器件上的發熱溫度(測試點放在IC金屬片上)應保持在70℃以下。否則, TDA7264的內部過熱保護電路會因為IC在較高的發熱溫度下工作產生累積效應,在連續工作30分鐘后出現“軟保護”而使其能夠輸出的功率降低到正常值的1/4以下。本來,理想的過熱保護功能應該是在功放IC的發熱溫度達到最高允許值時關斷輸出,待其溫度冷卻至比最高允許值低若干度時重新恢復輸出。TDA7264工作之后,發熱溫度在短時間內達到110℃也沒有出現過熱保護,工作情況良好,人們會因此誤認為TDA7264具有很好的溫度特性而降低對它的散熱要求。美國NS公司在80年代生產的LM1875功放IC雖然沒有靜音功能,但其內部設計的過熱保護功能已接近理想要求,因此直到如今還繼續被音響生產廠大量選用。但是美國NS公司在90年代生產的LM3875、LM3886大功率功放IC,在過熱保護功能方面的表現卻很令人失望!尤其是采用陶瓷絕緣封裝的功放IC,因其導熱狀況不佳,LM3875在推動4Ω負載時,連10W以上的正弦波額定功率都不能連續
輸出。就是改成8Ω負載,陶瓷絕緣封裝的LM3875能夠正常輸出30W正弦波額定功率的時間也僅能維持幾秒鐘就開始出現雜波。同樣,陶瓷絕緣封裝的LM3876,在推動4Ω負載時能夠正常輸出40W正弦波額定功率的時間也只能維持幾秒鐘就開始出現雜波。必須使用金屬片導熱的封裝器件,并保持功放IC金屬片上的發熱溫度不超過85℃,LM3875(或LM3876)、LM3886才能分別給4Ω負載正常的長期輸出30W與50W正弦波額定功率。因此,人們在使用LM3875、LM3886等功放IC器件時,一定要給它們配上足夠大的散熱器。同時,用于給功放IC金屬片絕緣的導熱片厚度應盡可能薄,不要超過0.3mm,這樣才能確保功放IC與散熱器之間的溫差只有幾度。
  意法SGS公司在80年代生產的TDA2030A功放IC,在過熱保護方面的表現比美國NS公司生產的LM1875略差,它的特點就是當功放IC金屬片上的發熱溫度超過105℃時輸出信號波形上將出現雜波。而LM1875功放IC在發熱溫度低于最高允許值時,輸出信號波形始終保持正常。只有當IC金屬片上的發熱溫度達到115℃后,LM1875功放IC才關斷輸出。TDA2030A功放IC金屬片上的發熱溫度也是要達到115℃后才關斷輸出,所以它有一個不穩定工作的溫度段,好在這個溫度段已經是很高的溫度,對使用沒有明顯的影響。令人感到欣慰的是,意法SGS公司在90年代推出的TDA7296、TDA7295、TDA7294幾款實際輸出功率都能達到50W的功放IC,在過熱保護方面的表現已經做得非常良好。它們在功放IC的發熱溫度低于最高允許值時,輸出信號波形都始終保持正常良好。必須在功放IC金屬片上的發熱溫度達到115℃之后,它們才關斷輸出。相對于其它大功率放大IC來說,意法SGS公司生產的TDA7296、TDA7295、TDA7294確實是其中的佼佼者。

《電子制作》在2000年第7、8兩期連續刊登了我設計的“200W電子三分頻高品質有源音響”后,許多愛好者來信詢問為什么沒有給它設計音量調節電路。其實,我在推出200W、50W、18W系列電子三分頻高品質有源音響之時,已經設計了可供它們通用的音量調節電路。我之所以沒有馬上將其介紹給大家,原因是需要進行反復地仔細研究后,才可以把最佳的作品提供給愛好者去仿做。 對音響電路有過研究的人,大都知道TA8184、LM1036、TDA1524這些專用于音量控制的直流音調IC。其中,TA8184的性能指標最好。LM1036的音質也不錯,但它的左右聲道平衡不夠好、相差可能超過2db。LM4016 是LM1036的升級品,增加了3D環繞聲處理功能。TDA1524的音質不佳,聽感上明顯單薄,人們一般不選用它。由于這些直流音調IC帶有高低音調節功能,它們的輸出信號峰峰值雖然可以達到8V,但輸入信號的峰峰值最大只允許達到3V。然而從CD機輸出的音頻信號,除小型攜帶機外,一般都可以輸出超過6V峰峰值的音頻信號。現代錄制的CD音樂節目都頻繁出現超過4V峰峰值的音頻信號,當把CD機輸出的音頻信號直接輸入這些直流音調IC中時,幅度稍大的信號就要出現削波。為了防止信號削波,必須先將信號源輸出的音頻信號衰減10db才能輸入到直流音調IC中,然后再對直流音調IC輸出的信號進行相應的放大,結果是使整機信噪比下降了10db。以TA8184和LM1036來說,它們自身的信噪比在電路設計達到最佳時也只有80db,在經過上述先衰減再放大的處理后,整機的信噪比最多只能達到70db。這樣的性能指標,顯然達不到高品質音響系統的要求。就是對音質要求較低的多媒體音響系統,由于經常播放幅度大的低音信號,如果不采取先衰減再放大的處理方式,也不宜使用這些曾在上個世紀80年代風光過的直流音調IC了。
  在高品質音響系統中,音量調節是很重要的環節。當音頻放大器的信噪比已經做到90db以上時,音量調節器的信噪比如果不夠高,整體的播放效果就會受到明顯損害。普通電位器由于電阻膜片的空間面積比較大,很容易產生外部感應噪聲。當把電位器旋到兩端時,電位器產生的感應噪聲較小。當把電位器旋到中間常用位置上時,電位器產生的感應噪聲最大。實驗證明,使用普通電位器做音量調節,在把電位器全部屏蔽起來,直接把信號源輸出的音頻信號加到電位器上時,整機的信噪比僅能夠達到60db左右。要想降低電位器產生的外部感應噪聲,只能使用低噪聲放大電路將信號源輸出的音頻信號先放大10倍后,再將它加到電位器上。這樣做的難點是前置低噪聲放大電路需要使用較高的工作電壓,必須超過±40V,才能在不發生信號被削波的情況下提高整機信噪比。由于加在電位器上的音頻信號幅度被放大了10倍,在電位器上產生的熱損耗也將增大100倍,因此不能再使用普通碳膜電位器,必須改用由若干個金屬膜電阻串聯構成的有級非連續調節的特制電位器來調節音量。這種特制電位器產生的熱噪聲比普通碳膜電位器產生的熱噪聲要低得多,價格也要貴得很多。許多高品質音響系統常采用這種方式來調節音量,但既便如此,整機的信噪比也僅能夠達到85db左右,很少能夠超過90db。所幸的是,在上個世紀90年代后期,國外已經有多家電子公司生產出新一代的音量調節專用IC。其特點是將一系列微型電阻串聯集成在IC內部,通過集成在IC內部的數字電路控制電子開關實現觸點切換。由于
集成在IC內部的微型電阻體積非常小,幾乎不會產生外部感應噪聲,這些音量調節專用IC的信噪比都能達到90db以上,非線性失真不大于0.01%,輸入、輸出信號的峰峰值都允許達到電源電壓值。以典型的音量調節專用IC芯片TC9235或SC9153來說,工作電壓取為單9V或雙±5V時,輸入、輸出信號的最大峰峰值可達到9.3V或10.3V,信噪比可達到100db,它們顯然是性能良好的音量調節器件。 有了性能良好的新一代音量調節專用IC,人們只要按照生產廠商提供的應用電路進行設計排板,就可以制作出適合高品質音響系統使用的音量調節器了。但是,要把它制作成一個完善的音量調節器,人們還需要把紅外遙控電路和音源切換電路也增加上去。

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