高输出便携式放大器的设计考虑

时间:2009/03/15 来源:专业视听网

关键词:

    全局反馈和高频稳定
    因为内部误差校正把THD降低了20dB,整体的全局反馈可能主要被裁减为校正输出滤波器的特性。如果没有反馈,根据负载阻抗的情况,输出滤波器在20KHz的响应会变化20dB或更多。因为在PL380中所采用的反馈网络经过仔细地调节,当从无负载到2欧负载范围内变化时,相对于大多数良好的线性放大器而言,这个变化被降低为大约1.5dB,而THD被减少到0.01%。在10kHz,总的频率—负载偏差小于04dB;在5kHz,阻抗对频率响应没有影响。在20kHz处,主要的竞争者的产品的偏差要高几倍,伴随着在2-3kHz处向相反方向运动的巨大峰值,因而,在特定的负载中产生清楚的可听见的音速信号。
    维持无负载的稳定性
实际上,所有高度可调的反馈网络都具有最低的负载稳定性极限,在此,滤波器的峰值是最强的。当没有连接扬声器时,除了需要放大器安全地工作之外,喇叭驱动器在20kHz具有非常高的阻抗。即使它们可能不是在这些频率被驱动,放大器也必须维持稳定,以避免跟削峰相关的失真行为。因此,通常把一个R-C Zobel网络连接到输出,从而在20kHz和以上频段维持合理的负载阻抗。这些网络吸收高频功率,这些频率要求设计工程师严格地限制可容许的高频输出,有时侯从10kHz以下开始。QSC采用专门的安装了散热装置的电阻来处理每个通道200瓦的功率,所以,在15kHz以上可能被扫描满功率,在20kHz几乎有1000瓦的可用功率。与任何知名的竞争对手相比,QSC的产品可以自动出现任何需要的限制频率,而最终结果支持更高频的功率。
    保护系统
为了防止放大器出现不希望的静音,对于任何“超越界限”的情况的第一种解决办法就是将模拟极限提高到35dB。为了对削峰现象作出响应,可能出现这种情况;并且也限制了过热、高频过载、长期过流和120V、超过30A的长期交流功耗(比主要竞争对手的产品的极限高两倍以上)。在正常的工作中,这些极限情况大多数情况下不会遇到,但是,如果被触发的话,将导致红色彩Clip LED的显示亮度降低一半。如果出于任何原因,35dB的极限参数无法控制情况,放大器然后(只有那时)将采取全静音。在静音期间,在那个通道上的所有的D类开关将停止,因此,降低了所有的重要源的损耗。
    平衡输入电压极限
生产“最终的模拟放大器”是我们的使命之一,PowerLight 3系列产品的有源输入经过专门裁减的设计,能够接收超过+21dB的信号,即使在大多数敏感的输入设置上。通过采取特别的措施,可以防止任何内部的过载往下流入输入级,因此,即使在最高输入的情况下,放大器也不会饱和。所有的型号都包含可针对1.2V输入灵敏度进行设置的3档输入开关(增益根据型号而变),或32dB或26dB输入增益(灵敏度根据型号而变)。这些和其它功能在PowerLight 3规格表中详细给出。
    数据端口控制和监测信号
正如QSC的其它产品都具备数据端口一样,内部电路要测量放大器的输出电压、电流、削峰以及每一个通道的温度、Bridge Mono的状态和灵敏度开关、以及待机使能和内部轨电压等等。数据端口支持常用的插入式DSP附件,QSControl 3.0将包含在新型号的识别表中。PowerLight 3系列的一个重大差异在于:数据端口的输入信号不再通过其内部的信号路径进入放大器,而是跟正常的输入并联地直接输入。这使得通过数据端口接收的任何信号能够被交叉连接到其它放大器。
    构架技术
开关模式电路利用多种重量轻的元器件取代了传统的笨重安装的元器件。此外,对高频干扰的控制是必不可少的,正因为如此,QSC在一块大的经仔细设计的多层印刷电路板上构建了每一个开关模式平台。这就提供了完整的可重复性,降低了装配成本,支持自动安装,并消除了内部连接器和触点的潜在麻烦。QSC的精心制作的产品测试包括多种振动、温度循环和跌落测试,以发现和更正在结构中的任何弱点。相比之下,其它的高功率放大器采用了多达15块不同的PCB配件,其中,有多个互连线和故障点。
    问答
    在D类放大器中的“D”代表数字的意思吗?
    D类放大器的输出级是开关模式输出,即在任何时刻,输出器件都不是完全打开,也不是完全关闭。这有点类似于在逻辑电路中所采用的二进制编码。然而,那并不意味着D类放大器就是数字。真正的数字技术需要把模拟信号的电平编码为高分辨率数或数字,计算机的处理和存储不会造成进一步的精度损失。对模拟输入信号进行取样的PWM比较器把连续变化的模拟输入的幅度转换为连续变化的“定时脉冲”。实际上,模拟输入的幅度已经被映射为模拟脉冲的宽度。高功率的输出级把PWM脉冲串放大,然后,由滤波器把各个脉冲混合在一起,从而恢复出逼近输入的连续变化的模拟输入信号(图3)。这是一个模拟过程,跟传统的线性模式放大器的不同之处在于,输出三极管改变其电阻,以控制被发送到扬声器的功率。不论放大器如何工作,最终结果都是一样的:模拟输入导致一个高度受控、被极大地放大的模拟输出电压,然后,被以足够的电流送往扬声器,从而克服在传输过程中的所有电阻。
    为什么PL380在待机时感觉热?
    跟传统的线性设计相比,D类电路具有不同的损耗曲线。线性设计可以被调节为最低的占空损耗,但是,随着输出功率的增加其损耗会快速增加(图5)。因此,线性设计占空时冷,但是,以高功率输出时需要一个大风扇散热。D类设计处理固定量的功率,因此,在占空时有点热。然而,即使以非常高的功率输出,其温度增加不大,风扇速度增加也不大。
 
    图5:线性与开关模式放大器的损耗曲线的比较。 
    D类设计的测量和真实性能问题
    在满额定功率情况下,为什么D类放大器没有展示超低的失真指标?
在D类放大器的大部分工作范围内,D类放大器都有可能做到相当低的失真,但是,因各种原因所致,在功率范围的最后几个dB,失真会稍微有点上升。例如,D类放大存在一些额外的开关噪声或抖动,这种情况相当常见,这些噪声或抖动就恰好在削峰之下,因而显示出THD读数的增加。这使得用难以置信的削峰下低THD来引证通常的宽带额定功率是不可能的:迄今为止D类放大器就不存在满额定功率情况下的“0.0x”THD。这在音乐上并不是严重的缺陷,因为我们的研发副总裁Mark Engebretson指出,在这些功率级,即使空气也会频繁地开始失真,更不要说任何实际的扬声器了。
    因为D类放大器的“满额定功率THD”在规格表上的数字不好看,大多数其它公司都很少透露THD数据。QSC公司认为,消费者有权利知道,因此,我们引证“典型的失真”为从-20 dB到-3 dB,如下所注,加上实际削峰的点。在高达5KHz的频率范围内,THD大约为0.01%-0.03%的8欧D类放大器,在20KHz和满输出时上升到0.2%。
在高达5KHz的频率范围内,THD大约为0.03%-0.06%的4欧D类放大器,在20KHz和满输出时上升到0.2%。THD大约为0.05%-0.1%的2欧D类放大器,在高频和满输出时上升到0.2%。
    虽然其它一些产品实现了稍微更好的低频THD,很少—如果有的话—匹配PL380的满量程失真性能,并且所有的失真积都是平滑的低阶谐波。
    D类放大器具有不同的声音吗?
    如上所述,这种处理功率的方法能引入在直接耦合线性设计中不存在的各类误差(电源调制、可变的高聘阻尼、大多数低阶失真积)。因此,早期的D类放大器趋向于具有更多的色彩配置,虽然是音乐上可接受的“管状”品质。
    PL380已经被尽可能地制成中性和线性。任何剩余的差异类似于在各种不同的线性放大器设计中听到的差异。主要的听觉印象就是一个巨大的功率和精确度。
    D类放大器需要不同于线性放大器的基准测试设置吗?
    跟传统的线性放大器相比,D类放大器需要不同的方法来输出性能的评价。QSC采用额外的陷波滤波器来消除开关频率,但是,开关频率的残留成分仍然大约为-55dB,需要额外的滤波以测量范围在-100dB到-80dB之间(0.01%)的THD和噪声基底。构建到现有测量工具之中的有源滤波器如—Audio Precision—是中等有效的,但是,最佳的结果需要一种来自测试设备制造商的现成的无源预制滤波器。然而,它应该仍然可能以正常的功率级确定THD性能及频率响应。
    输出额定功率与实际的热容量
    PL380在削峰时的中等功率输出超过1500瓦(8欧)、2500瓦(4欧)和4000瓦(2欧),用两通道驱动。单通道的可用功率稍微更高,并且峰值净空可能超过185Vpk。
    我们认为,从交流电源插座到可用的任何放大器的扬声器端,PL380具有最高的整体效率。满功率的效率的范围能高达85%,在这个功率范围内,大约是其它开关模式放大器的损耗的一半。像所有的开关模式放大器一样,在正常的节目水平上,损耗及其产生的热甚至更低。因此,跟其它高功率D类放大器(每通道4-8欧,每通道连续超过1000瓦;在2欧连续超过600瓦)一样,PL380能够提供多达两倍的长期—热受限—的平均功率。此外,跟线性放大器不同,D类放大器当驱动电抗负载时不损失效率。因为2欧(标称值)负载在许多频率可能实际上是4欧或更高的电抗,放大器可能把多达1000瓦的“视在”平均功率传递到大多数这样的负载之中。
    把这些热受限的平均功率放在设想之中
    25% - 33%的额定功率代表着严重的削峰或严重的压缩,节目不会出现任何中断或暂停。PL380将方便和不确定地支持这样的级别进入任何4-8欧的负载。12%的额定功率是标准的安全机构测试级别,并代表大多数节目材料能播放的最大声音,没有听得见的削波。这个功率级别应该容易地获得,即使进入最坏的2欧情况。

    系统集成
    由三种放大器共享的常见功能被设计为使之易于或者整个PowerLight 3系列,或者采用任何单一型号,作为音乐会音响系统的组成部分。
    这些常见的单元包括:
    —已升级的PowerLight电源
    具有更大的电容和更多的鲁棒半导体器件,用于更高的峰值功率、能量存储和延迟时间;
    —环路公-母XLR模拟输入;Euroblock模拟输入;用于进一步提高灵活性的数据端口并联的模拟输入;
    —1.2V, +26 dB, +32 dB输入灵敏度/增益开关;
    —在每个通道上的可切换削峰限幅器把硬削峰转换为更软的峰钳位;不影响正常的节目水平;
    —跟用于基本扩音器管理应用的可选DSP4处理模块兼容;
    用于通过QSControl.net远程监控的QSC数据端口连接性:放大器的管理可以利用合适的BASIS产品实现。BASIS单元也能提供CobraNet数字音频分配、具有拖放配置的数字信号处理和远程放大器管理。
    —UL和CE安全认证;
    —EMI额定参数
    面对当今日益增加的拥挤的RF频谱,我们有可能采取一切措施消除由放大器机架产生的RF噪声。PL325和340满足严格的B类消费电子产品标准。像其它的大型D类放大器一样,在PL380上满足这个标准有困难。早期已经付运的产品满足不那么严格的A类额定参数的要求,对专业设备容许采用的额定参数可能不能用于家用设备。
    —立体声、桥接或并联输入路由;
    —在每一个通道上的可切换33 Hz / 50 Hz高通滤波;
    —Neutrik Speakon和“触摸证明”的两种后输出
    通道1 Speakon承载两个通道,简单地连接到双放大的扬声器,如监听音箱;
    —两个机架空间
    16.5英寸深、22—24 lbs重;
    —零信号延迟
    容许方便地与老式设备集成,当对复杂的多路音响系统校准时,取消了可能出问题的放大器机架。


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