오디오 앰프 설계: 전력, 임피던스 및 노이즈

전력 증폭기 기초

오디오 파워 앰프는 저레벨 라인 신호 (일반적으로 1Vrms, 0dBV) 를 받아 스피커 (4—8Ω) 를 구동하여 음향 출력을 생성합니다.주요 과제는 왜곡을 낮추고 높은 효율을 유지하면서 수십 ~ 수백 와트를 전달하는 것입니다.

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전력 출력 계산

클래스 AB 증폭기의 최대 출력 전력:

“매스블록_0"

여기서 “MATHINLINE_7" (클래스 AB는 일반적으로 레일의 10% 이내에서 흔들립니다).

8Ω까지 ±18V (36V 듀얼) 전원을 공급하는 경우: “매스블록_1”

[앰프 클리핑 계산기] (/계산기/오디오/앰프-클리핑) 를 사용하여 피크 전압과 클리핑 파워를 구하십시오.

[전력 증폭기 게인 계산기] (/계산기/오디오/전력 증폭기-게인) 를 사용하여 전압 게인 (일반적으로 파워 앰프의 경우 26—34dB) 을 확인하십시오.

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스피커 임피던스 매칭

앰프는 특정 부하로 평가됩니다.낮은 임피던스에서 작동하면 더 많은 전류가 소모됩니다.

“매스블록_2"

100W/8Ω 증폭기는 “MATHINLINE_8" 피크를 생성합니다.동일한 전압에서 4Ω이 되면 전력은 200W로 두 배로 증가하지만 전류 역시 10A 피크로 두 배로 증가합니다.출력 트랜지스터가 이 문제를 해결해야 합니다.

스피커 감도는 주어진 전력에서 스피커가 얼마나 크게 재생되는지를 결정합니다.

“매스블록_3"

여기서 “MATHINLINE_9”는 dB/W/m 단위의 민감도입니다. 100W에서 90dB/W/m 스피커는 1m에서 110dB SPL을 생성합니다.

[스피커 감도 계산기] (/계산기/오디오/스피커 감도) 를 사용하여 청취 거리에서의 SPL을 예측할 수 있습니다.

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앰프 클래스 비교

클래스 AB: 표준

클래스 AB는 작은 대기 전류로 작동하여 크로스오버 왜곡을 제거하는 동시에 클래스 A 출력 트랜지스터보다 효율이 우수합니다. 출력 트랜지스터는 각각 10~50mA로 유휴 상태입니다.

최대 출력에서의 전력 손실은 실제로는 절반 전력에서의 전력 손실보다 낮습니다 (직관적이지 않음).최악의 경우 전력 손실은 “MATHINLINE_10"에서 발생합니다.

클래스 D: 현대적 선택

클래스 D는 PWM을 사용하여 출력 트랜지스터를 완전히 켜거나 끕니다.일반적인 효율: 85-95%.

[클래스 D 효율 계산기] (/계산기/오디오/클래스 D 효율) 를 사용하여 MOSFET RDS (on) 및 대기 전류로부터 효율을 추정할 수 있습니다.

장단점: 출력 LC 필터 (비용 및 크기 추가), 스위칭 주파수로 인한 EMI가 필요하므로 신중한 레이아웃이 필요할 수 있습니다.통합 클래스 D IC (TPA3116, MAX9744) 에는 필터가 포함되어 있으며 대부분의 복잡성을 처리합니다.

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헤드폰 앰프

헤드폰 앰프는 다른 설계 문제에 직면해 있습니다. 바로 낮은 공급 전압에서 높은 임피던스 부하 (32—600Ω) 를 구동한다는 것입니다.

300Ω/100dB/mW 헤드폰에서 110dB SPL에 필요한 전력: “매스블록_4" “매스블록_5"

[헤드폰 전력 계산기] (/계산기/오디오/헤드폰-전력) 를 사용하여 헤드폰 사양에서 필요한 전압과 전류를 계산하십시오.

출력 임피던스가 중요합니다. 주파수 응답 편차를 최소화하려면 앰프 출력 임피던스가 헤드폰 임피던스의 1/8 미만이어야 합니다.32Ω 캔의 경우 “MATHINLINE_11"을 사용하십시오.

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노이즈 플로어 및 SNR

노이즈 플로어는 앰프의 다이나믹 레인지를 결정합니다.오디오 시스템의 경우:

“매스블록_6"

120dB SNR (최신 기술) 은 잡음이 풀 스케일 신호보다 100만 배 작다는 것을 의미합니다.

노이즈 소스

1.저항에서의 존슨 노이즈: “MATHINLINE_12" 2.연산 증폭기 입력 노이즈: nV/√Hz 전압 노이즈+PA/√Hz 전류 노이즈로 지정됩니다. 3.전원 공급 장치 노이즈: 잘 필터링해야 합니다. LC 필터+로컬 커패시터 사용

[오디오 SNR 계산기] (/culators/audio/audio-snr) 를 사용하여 신호 및 노이즈 레벨로부터 SNR을 계산합니다.

오디오용 연산 증폭기 선택

오디오 프리앰프의 경우:

• NE5532: 클래식하고 저소음 (5nV/√Hz), 저렴한 가격
• OPA2134: JFET 입력, 매우 낮은 왜곡, 8nV/√Hz
• LM4562: 2.7nV/√Hz, 정밀 스테이지에 탁월

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보호 회로

모든 전력 증폭기에는 다음이 필요합니다.

1.DC 오프셋 보호: DC 오프셋이 ~50~100mV를 초과할 경우 스피커 연결을 끊는 릴레이입니다.스피커를 DC 전류로부터 보호합니다.

2.열 보호: 온도가 80°C를 초과하면 게인을 줄이거나 연결을 끊는 히트싱크의 서미스터입니다.

3.단락 보호: 전류 제한 (“MATHINLINE_13"인 경우 드라이브 감소) 또는 출력 퓨즈.

4.트위터 보호 커패시터: 트위터에서 나오는 저주파수를 차단하는 1차 하이패스 필터.

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실용 설계 체크리스트

• [] 공급 전압 및 부하 임피던스에서 최대 출력 전력 계산
• [] 트랜지스터/IC 전류 등급 확인 (1.5배 피크)
• [] 게인 계산 (일반적으로 26—34dB, 저항 비율로 설정)
• [] 20kHz 이상의 최대 전력 대역폭에 대한 슬루율 확인
• [] 히트싱크 크기: 1/3 최대 전력에서의 P 손실 (AB의 경우 최악의 경우)
• [] SNR이 90dB 이상인지 확인 (최저 노이즈 플로어 -90dBV 미만)
• [] DC 보호 릴레이 추가
• [] 공급 레일을 로컬에서 분리하세요 (10μF+100nF 세라믹)