Audioverstärkerdesign: Leistung, Impedanz und Rauschen

Grundlagen von Leistungsverstärkern

Ein Audioleistungsverstärker empfängt ein Leitungssignal mit niedrigem Pegel (typischerweise 1 Vrms, 0 dBV) und steuert einen Lautsprecher (4—8 Ω) an, um eine akustische Ausgangsleistung zu erzeugen. Die größte Herausforderung besteht darin, Dutzende bis Hunderte von Watt zu liefern und gleichzeitig eine geringe Verzerrung und einen hohen Wirkungsgrad beizubehalten.

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Berechnungen der Ausgangsleistung

Maximale Ausgangsleistung für einen Verstärker der Klasse AB:

„MATHBLOCK_0“

wo „MATHINLINE_7“ (Klasse AB schwingt normalerweise innerhalb von 10% der Schienen).

Für eine ±18 V (36 V dual) -Versorgung in 8 Ω: „MATHBLOCK_1“

Verwenden Sie den [Amplifier Clipping Calculator] (/calculators/audio/amplifier-clipping), um die Spitzenspannung und die Clipping-Leistung zu ermitteln.

Verwenden Sie den [Leistungsverstärkungsrechner] (/calculators/audio/power-ampier-gain), um die Spannungsverstärkung zu überprüfen (normalerweise 26—34 dB für Leistungsverstärker).

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Anpassung der Lautsprecherimpedanz

Verstärker sind für bestimmte Lasten ausgelegt. Der Betrieb mit einer niedrigeren Impedanz verbraucht mehr Strom:

„MATHBLOCK_2“

Ein Verstärker mit 100 W/8 Ω erzeugt einen Spitzenwert von „MATHINLINE_8“. Bei 4 Ω bei gleicher Spannung verdoppelt sich die Leistung auf 200 W — aber auch der Strom verdoppelt sich auf 10 A Spitzenleistung. Die Ausgangstransistoren müssen das bewältigen.

Die Lautsprecherempfindlichkeit bestimmt, wie laut der Lautsprecher bei einer bestimmten Leistung abgespielt wird:

„MATHBLOCK_3“

wobei „MATHINLINE_9“ die Empfindlichkeit in dB/W/m ist. Ein 90 dB/W/m-Lautsprecher mit 100 W erzeugt 110 dB SPL bei 1 m Abstand.

Verwenden Sie den [Lautsprecherempfindlichkeitsrechner] (/calculators/audio/speaker-sensitivity), um den Schallpegel bei Hörabstand vorherzusagen.

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Verstärkerklassen im Vergleich

Klasse AB: Der Standard

Klasse AB arbeitet mit kleinem Ruhestrom, um Übergangsverzerrungen zu vermeiden, und bietet gleichzeitig einen besseren Wirkungsgrad als Ausgangstransistoren der Klasse A. Ausgangstransistoren im Leerlauf bei jeweils 10—50 mA.

Die Verlustleistung bei maximaler Ausgangsleistung ist tatsächlich geringer als bei halber Leistung (widerspricht der Intuition). Im schlimmsten Fall tritt die Verlustleistung bei „MATHINLINE_10“ auf.

Klasse D: Die moderne Wahl

Klasse D verwendet PWM, um Ausgangstransistoren vollständig ein- oder auszuschalten. Typischer Wirkungsgrad: 85— 95%

Verwenden Sie den [Effizienzrechner der Klasse D] (/calculators/audio/class-d-efficiency), um den Wirkungsgrad von MOSFET-RDS (an) und Ruhestrom abzuschätzen.

Kompromisse: LC-Ausgangsfilter erforderlich (zusätzliche Kosten und Größe), elektromagnetische Störungen aufgrund der Schaltfrequenz, möglicherweise ist ein sorgfältiges Layout erforderlich. Integrierte ICs der Klasse D (TPA3116, MAX9744) enthalten den Filter und bewältigen den Großteil der Komplexität.

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Kopfhörerverstärker

Kopfhörerverstärker stehen vor einem anderen Konstruktionsproblem: Sie steuern hochohmige Lasten (32—600 Ω) über eine niedrige Versorgungsspannung an.

Erforderliche Leistung für 110 dB SPL von einem 300Ω/100 dB/mW-Kopfhörer: „MATHBLOCK_4“ „MATHBLOCK_5“

Verwenden Sie den [Kopfhörer-Leistungsrechner] (/calculators/audio/headphone-power), um die erforderliche Spannung und den Strom anhand der Spezifikationen Ihres Kopfhörers zu berechnen.

Die Ausgangsimpedanz ist wichtig: Für eine minimale Abweichung im Frequenzgang sollte die Ausgangsimpedanz des Verstärkers < 1/8 der Kopfhörerimpedanz sein. Bewahren Sie für 32-Ω-Dosen „MATHINLINE_11“ auf.

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Grundrauschen und SNR

Das Grundrauschen bestimmt den Dynamikbereich des Verstärkers. Für ein Audiosystem:

„MATHBLOCK_6“

Ein SNR von 120 dB (Stand der Technik) bedeutet, dass das Rauschen 1 Million Mal kleiner ist als das Originalsignal.

Geräuschquellen

1. Johnson-Geräusch in Widerständen: „MATHINLINE_12“ 2. Eingangsrauschen des Operationsverstärker: spezifiziert als nV/√Hz-Spannungsrauschen + pA/√Hz-Stromrauschen 3. Stromversorgungsgeräusch: muss gut gefiltert sein; verwenden Sie einen LC-Filter und einen lokalen Kondensator

Verwenden Sie den [Audio-SNR-Rechner] (/calculators/audio/audio-snr), um das SNR aus Signal- und Geräuschpegeln zu berechnen.

Op-Amp-Auswahl für Audio

Für Audiovorverstärker:

• NE5532: klassisch, geräuscharm (5 nV/√Hz), preiswert
• OPA2134: JFET-Eingang, sehr geringe Verzerrung, 8 nV/√Hz
• LM4562: 2,7 nV/√Hz, hervorragend für Präzisionstische

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Schutzschaltungen

Jeder Leistungsverstärker benötigt:

1. DC-Offset-Schutz: Ein Relais, das den Lautsprecher abschaltet, wenn der DC-Offset ~50—100 mV überschreitet. Schützt den Lautsprecher vor Gleichstrom.

2. Wärmeschutz: Thermistor am Kühlkörper, der die Verstärkung reduziert oder die Verbindung abschaltet, wenn die Temperatur 80 °C überschreitet.

3. Kurzschlussschutz: Strombegrenzung (Antrieb reduzieren bei „MATHINLINE_13“) oder Sicherungen am Ausgang.

4. Hochtonschutzkondensator: Hochpassfilter erster Ordnung, der niedrige Frequenzen vom Hochtöner fernhält.

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Checkliste für das praktische Design

• [] Berechnet die maximale Ausgangsleistung aus Versorgungsspannung und Lastimpedanz
• [] Überprüfen Sie den Nennstrom von Transistor und IC (1,5× Spitzenwert)
• [] Verstärkung berechnen (normalerweise 26—34 dB, eingestellt durch das Widerstandsverhältnis)
• [] Überprüfen Sie die Flankensteilheit für eine Bandbreite bei voller Leistung ≥ 20 kHz
• [] Größe des Kühlkörpers: P_Dissipation bei 1/3 voller Leistung (schlimmster Fall für AB)
• [] Stellen Sie sicher, dass das SNR > 90 dB beträgt (Grundrauschen < -90 dBV)
• [] DC-Schutzrelais hinzufügen
• [] Versorgungsschienen lokal entkoppeln (10 μF + 100 nF Keramik)