如何使用音頻放大器進(jìn)行電壓分割

有時(shí)需要將單個(gè)電源分割成兩個(gè)或多個(gè)并不一定相等的部分。在使用來自干電池或汽車蓄電池的6V、12V、15V、24V、36V或48V電源時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到這種情況。雖然市場上有精確的專業(yè)電壓分割器，但不一定能買到，或者對(duì)某些項(xiàng)目來說太過昂貴。而且有時(shí)候設(shè)計(jì)作為電壓分割器使用的IC不能提供所需的電流或功率。

幸運(yùn)的是，對(duì)許多應(yīng)用來說當(dāng)我們需要電壓分割器時(shí)，我們可以使用低成本的音頻功率放大器(PAA)(比如LM386、LM380、LM384、TBA820M、TDA2002、TDA2003、 TDA2030、TDA2040、TDA2050、LM1875等等)分割電源。這種電源分割方案特別適合于測試平臺(tái)和試驗(yàn)系統(tǒng)使用。

我們可以圍繞音頻功率放大器為電子設(shè)備的電源搭建簡單的、低成本并且非開關(guān)型電壓分割器。上面列出的音頻功率放大器以及其它許多器件在許多項(xiàng)目中都是大批量采購的，這使得它們的使用和更換成本很低，負(fù)擔(dān)比較輕。

音頻功率放大器是許多制造商生產(chǎn)了好多年的產(chǎn)品，因此非常普及，內(nèi)部電路也是公開的，測試起來非常方便。受損后這些IC很容易更換。

本文提到的每種電路都是可工作的，但都有一些特殊性，因此，在使用該種電路之前應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)估。文中介紹的電路都很簡單，不需要復(fù)雜的重新設(shè)計(jì)或調(diào)整就能正確工作。

三種類型的電壓分割器

一般來說有三種電壓分割器。這三種電壓分割器的框圖如圖1所示。

圖1：三種主要類型的電壓分割器的常用框圖。a)有兩個(gè)輸出的電壓分割器;b)有4個(gè)輸出的電壓分割器;c)有三個(gè)虛地的電壓分割器。

圖1a顯示了最常見的電壓分割器版本。+Vin和GNDin之間的輸入電壓被分割成兩個(gè)不必相等的部分。這兩個(gè)部分的電壓可以是固定的，也可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整。通常輸入和輸出電壓之間有少許的差別，這與具體的電壓分割器實(shí)現(xiàn)有關(guān)。

兩個(gè)輸出電壓分別是+V1和GNDout之間以及-V2和GNDout之間的電壓。在這種電壓分割器中，輸入和輸出電壓之間沒有隔離，輸入地GNDin和輸出地GNDout(有時(shí)稱為虛地)之間沒有直接連接。

圖1b顯示了第二種電壓分割器的框圖。+Vin和GNDin之間的輸入電壓被分割成4個(gè)不必相等的部分。這些部分的電壓可以是固定的，也可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整。在這個(gè)案例中輸入地GNDin和輸出地GNDout之間是直接相連的。這種應(yīng)用可以被稱為多輸出線性穩(wěn)壓器。

但需要注意的是，因?yàn)樵谶@種電壓分割器中V1、V2和V3這幾個(gè)輸出都可以用推挽電路驅(qū)動(dòng)，而不用單路輸出緩沖器。這與線性穩(wěn)壓器不同，因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器每個(gè)輸出端(輸出不是推挽電路)通常都有一個(gè)晶體管。

圖1c顯示了第三種電壓分割器。+Vin和GNDin之間的輸入電壓被分割成不必相等的4個(gè)部分。事實(shí)上這種應(yīng)用有三個(gè)電壓分割器，每個(gè)分割器將自己的輸入電壓分成兩個(gè)部分。每個(gè)輸出地(GND1、GND2和GND3)都用推挽電路驅(qū)動(dòng)。

我們應(yīng)該注意電壓分割器輸出電壓的測量方式。在這個(gè)例子中，V1和-V2是對(duì)GND1測量的，V3和-V4是對(duì)GND2測量的，V5和-V6是對(duì)GND3測量的。

我們主要使用基于圖1a所示框圖電路的電壓分割器，很少使用基于圖1b的電壓分割器。

基于音頻放大器的模擬電壓分割器優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)代工業(yè)有許多種類的開關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器可以當(dāng)作某種電壓分割器使用。但這些器件并不總能長期供貨，價(jià)格可能無法負(fù)擔(dān)，也可能產(chǎn)生大量電磁噪聲，或有其它缺點(diǎn)。

將音頻功率放大器、音頻運(yùn)放(AOA)和類似的IC和音頻模塊用作電壓分割器有許多優(yōu)勢(shì)：

●有許多制造商生產(chǎn)音頻功率放大器，并且有很多年歷史了。它們可以從許多分銷商處購買到，它們已經(jīng)非常普及，而且價(jià)格低

●音頻功率放大器的測試方便，而且需要更換也很容易

●音頻功率放大器在音頻范圍內(nèi)和范圍外都具有很低的噪聲。它們不會(huì)產(chǎn)生大量輸出噪聲、射頻波或電磁干擾(EMI)

●許多音頻功率放大器都有內(nèi)部熱保護(hù)、過流保護(hù)以及有些情況下的電抗性負(fù)載保護(hù)和過壓保護(hù)

●許多音頻功率放大器在需要時(shí)可以方便地安裝在附加散熱器上

只是作為例證，在我們考慮基于放大器的電壓分割器之前，我們先來了解一下基于二極管和晶體管的多種有用的電壓分割器。

基于二極管和齊納二極管的電壓分割器

我們可能需要從普通直流電源派生出來的兩個(gè)或多個(gè)低電壓電源或基準(zhǔn)電壓源獲得幾個(gè)毫安的電流，而且這種電路的電源管理并不需要非常嚴(yán)格。在這些情況下，我們可以使用基于二極管、齊納二極管和并聯(lián)穩(wěn)壓器的電壓分割器。

現(xiàn)代工業(yè)提供種類繁多的齊納二極管，它們的功耗在0.3W和1.3W之間，基準(zhǔn)電壓容差為±2%或更好。這些齊納二極管可以用于實(shí)現(xiàn)某些類型的電壓分割器。圖2顯示了三種例子。

圖2：采用二極管和齊納二極管實(shí)現(xiàn)的電壓分割器。a) 使用二極管的電壓分割器;b)使用齊納二極管的電壓分割器;c)使用兩個(gè)并聯(lián)穩(wěn)壓器(TL431)的電壓分割器。

圖2a顯示了使用二極管的簡單電壓分割器。我們可以串聯(lián)任意合適數(shù)量的二極管或發(fā)光二極管(LED)，它們將用作分路或并聯(lián)穩(wěn)壓器。在這個(gè)例子中，有兩個(gè)二極管D1和D2產(chǎn)生正的輸出電壓+V1，另外一個(gè)二極管D3產(chǎn)生負(fù)的輸出電壓-V3。輸出地GNDout可以在二極管之間的任何一點(diǎn)。

圖2b顯示了采用齊納二極管的簡單電壓分割器。我們可以串聯(lián)任意合適數(shù)量的齊納二極管，它們將用作分路或并聯(lián)穩(wěn)壓器。在這個(gè)例子中，有兩個(gè)二極管D1和D2產(chǎn)生正的輸出電壓+V1和+V2，另外兩個(gè)二極管D3和D4產(chǎn)生負(fù)的輸出電壓-V3和-V4。輸出地GNDout可以在齊納二極管之間的任意一點(diǎn)。在這個(gè)例子中GNDout位于D2和D3之間。齊納二極管可以采用相同或不同的種類。

我們可以使用像TL431這樣的并聯(lián)穩(wěn)壓器代替二極管和齊納二極管。這種解決方案的優(yōu)勢(shì)是，我們可以通過選擇電阻、或微調(diào)電位器或其它元件調(diào)整輸出電壓。

圖2c顯示了采用TL431可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓器的簡單電壓分割器。在這個(gè)例子中，我們用兩個(gè)TL431或LM341產(chǎn)生正的輸出電壓+V1和負(fù)的輸出電壓-V3。電壓V1可以用微調(diào)電位器P1調(diào)節(jié)，負(fù)輸出電壓-V3可以用P2調(diào)節(jié)。

我們可以串聯(lián)連接任何合適數(shù)量的并聯(lián)穩(wěn)壓器，如圖2a和圖2b所示。事實(shí)上，這些穩(wěn)壓器可以被看作是可調(diào)的齊納二極管。

基于雙極結(jié)型晶體管(BJT)的電壓分割器

圖2所示的電壓分割器沒有推挽輸出電路，因此在沒有負(fù)載的情況下會(huì)浪費(fèi)很多功率。我們可以使用基于雙極結(jié)型晶體管的電壓分割器避免這個(gè)問題。當(dāng)我們需要高輸出電壓、大電流、大功率或當(dāng)我們不需要非常好的輸出電壓調(diào)節(jié)功能時(shí)，這種電壓分割器尤其適合。

作為例子我們隨后會(huì)討論幾個(gè)簡單的應(yīng)用。這些電路都有推挽輸出電路和輸出電壓的簡單調(diào)節(jié)。它們類似于作為直流放大器工作的晶體管型音頻放大器電路。

圖3顯示了圍繞兩個(gè)晶體管搭建的兩個(gè)簡單電壓分割器例子。[!--empirenews.page--]

圖3：采用晶體管搭建的簡單電壓分割器。

圖3a中的晶體管T1和T2用于緩沖由電阻R1至R4和二極管D1與D2搭建的分壓器輸出電壓。二極管D1和D2起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔茫皇潜仨毜?。如果使用這兩個(gè)二極管，D1應(yīng)該與T1保持熱接觸，D2應(yīng)該與T2保持熱接觸。如果不使用D1和D2，那么相應(yīng)地要增加R2和R3值。

電阻R5、R6和R7提供簡單的局部反饋，可起到少許改善和保護(hù)電路的作用。R5要比R6和R7大得多。電路中的元件值計(jì)算與射極跟隨器電路中的元件值計(jì)算是相似的。

圖3b使用了3個(gè)晶體管和帶負(fù)反饋的更有效的輸出電壓調(diào)節(jié)電路。電阻R1和微調(diào)電位器P1提供的負(fù)反饋可以穩(wěn)定輸出電壓。輸出電壓+V1和-V2由P1、R1和R2設(shè)定。D1和D2用于溫度補(bǔ)償。電阻R4和R5提供局部負(fù)反饋，并在一定程度上保護(hù)輸出晶體管T2和T3。

有時(shí)我們需要調(diào)整和更有效地調(diào)節(jié)電壓分割器產(chǎn)生的輸出電壓。在這種情況下，我們可以使用用晶體管搭建的典型差分放大器來解決這些問題。圖4顯示了基于T1至T5這5個(gè)晶體管搭建的電壓分割器。

圖4：在晶體管搭建的差分放大器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的電壓分割器。

T1和T2用作差分放大器。T3是輸出晶體管T4和T5的放大器和驅(qū)動(dòng)器。電阻R6提供負(fù)反饋，用于穩(wěn)定輸出電壓。R7*和C2*不是必須的。C1是必須的，因?yàn)樗峁╇娐返念l率補(bǔ)償。

輸出電壓+V1和-V2由R1、R2和P1設(shè)定。二極管D1、D2和D3用于輸出晶體管的偏置和溫度補(bǔ)償。微調(diào)電位器P2用于調(diào)整輸出晶體管的靜態(tài)電流，比如從1mA至10mA，具體取決于負(fù)載情況。電阻R4和R5提供局部負(fù)反饋，并對(duì)輸出晶體管T4和T5提供一定程度的保護(hù)。

采用運(yùn)放和雙極結(jié)型晶體管的電壓分割器

如果負(fù)載是變化的，或者不是對(duì)稱的，圖3和圖4所示的電壓分割器可能效果并不好。為了解決這個(gè)問題，有時(shí)我們會(huì)使用基于單運(yùn)放(如TL071、OPA134、NE5534/A或LM741)和額外補(bǔ)充的雙極結(jié)型晶體管(如PN2222A+PN2907A、 BD135+BD136等)設(shè)計(jì)的電壓分割器。圖5顯示了這種電壓分割器的一個(gè)例子。

圖5：采用運(yùn)放和雙極結(jié)型晶體管設(shè)計(jì)的簡單電壓分割器。

輸出電壓用P1調(diào)節(jié)。這種電壓分割器工作起來像直流放大器一樣，增益Av等于Av=1+R4/R5。R5如果不需要可以省略，此時(shí)的增益就是單位1。該電路也可以用作跟隨器和電流緩沖器。

電壓分割器的輸出電流限制為50mA至2000mA，具體取決于晶體管T1和T2以及運(yùn)放的輸出能力。電容C4*只用于需要給運(yùn)放提供外部頻率補(bǔ)償之時(shí)。大多數(shù)音頻功率放大器包含圖5所示的所有元件，因此非常適合于搭建可調(diào)和非可調(diào)的電壓分割器。