本文聚焦于工作在高電壓范圍的揚聲器輸出電流監控電路，該電路使用的主要器件是D類放大器、差動放大器AD8479和ADA4805-1。電路中的電流信息可提供有關電路狀況的有用信息。電流監控電路廣泛用于各種儀器儀表領域，以便實現保護、補償和控制。電流監控的常見應用有電池監控系統、電機控制、過流保護和4 mA至20 mA系統，等等。此外，電流監控在音頻等商業應用中也很有用。此類應用之一是監控音頻放大器輸出到揚聲器的電流，以便提供音質補償和保護。
音頻放大器必須以高效率、低失真的方式再現輸入音頻信號。在20 Hz到20 kHz音頻頻率范圍內，它應具有良好的頻率響應性能，以便忠實地再現聲音和音樂。音頻放大器可能需要提供從數毫瓦（用于個人音樂播放器和耳機）到數百瓦（家用和商用音響系統，如劇院、會堂、室外音響系統等）不等的輸出功率。本文聚焦于工作在高電壓范圍的揚聲器輸出電流監控電路，該電路使用的主要器件是D類放大器、差動放大器AD8479和ADA4805-1。
基本的D類放大器信號流程
音頻放大器分為多個類別：A類、AB類、B類和D類。與其他類別放大器相比，D類放大器效率最高，可提供高輸出功率驅動。某些商用D類放大器提供每通道1500 W到每通道6000 W的功率能力。
D類放大器可以簡單地描述為開關放大器或脈寬調制（PWM）放大器。下圖顯示了一個基本D類放大器的信號流程。
典型D類放大器的工作過程是從比較器開始。一個頻率通常介于20 Hz到20 kHz的標準模擬音頻信號與一個高頻三角波形比較以產生PWM信號。隨后，PWM信號驅動輸出晶體管，產生一系列電壓可能很高的脈沖。最后，一個低通濾波器恢復正弦音頻信號。不切換時，通過輸出晶體管的電流為0；低導通電阻降低I2R損耗，從而顯著減少輸出級的總功率損耗。這樣便可實現高效率。
基本D類放大器的信號流程
基于AD8479和ADA4805-1電流監控電路設計
即使D類放大器具有高效率和高功率運行優勢，某些技術仍能改善音頻質量，例如使用反饋和預失真機制。下圖顯示了一個使用反饋機制的基本D類放大器。在反饋機制中，輸出信號（通常來自濾波器）被送至輸入端的誤差校正模塊。誤差校正模塊可以是全模擬式，或者采用數字處理故意使音頻信號預失真，從而校正輸出瑕疵并改善音頻輸出質量。除了揚聲器的固有非線性之外，揚聲器阻抗因為溫度和老化而變化的趨向也可能引起這種瑕疵。
使用反饋機制的基本D類放大器
電流監控電路可以獲取要反饋的數據進行誤差校正。選擇適合這種用途的器件的挑戰在于：器件必須足夠魯棒以便接收音頻放大器輸出端的高壓脈沖。AD8479可以滿足這一要求，因為即使存在高輸入共模電壓，它也能工作。電路中還加入了ADA4805-1，作為低失調、低噪聲的模數轉換器（ADC）驅動器。
AD8479是一款精密差動放大器，即使存在高達±600 V的共模電壓，它也能精確測量差分信號。圖3所示的輸入共模電壓與輸出電壓的關系曲線表明了這種能力。它具有以下特性：低失調電壓、低失調電壓漂移、低增益誤差漂移、出色的共模抑制比（CMRR）和寬頻率范圍。在本應用筆記中，AD8479配置為高端電流檢測放大器，用于監控D類音頻放大器的電流。AD8479同時具有130 kHz的帶寬，可滿足音頻應用的帶寬需求。
采用AD8479和ADA4805-1的電流監控電路
ADA4805-1是一款低輸入失調電壓和低輸入失調電壓漂移軌到軌放大器。ADA4805-1的增益設置為10，產生的輸出電壓通常在下一級的輸入電壓范圍內。下一級通常使用逐次逼近型（SAR） ADC來處理音頻信號。所用的D類放大器為一款25 W到500 W可擴展輸出功率D類功率放大器。該放大器配置±50 V電源電壓，提供1 kHz正弦輸出。AD8479輸出饋送到ADA4805-1輸入，后者用作ADC驅動器，增益為10。電阻容差應較低，以免電路產生較大失調漂移。
對于本電路所用的D類放大器，流經檢測電阻（RSENSE）的電流為4.74 A，產生475.71 mV峰值的滿量程電壓。共模電壓為37.9 V峰值。
電流監控的主要誤差源分析
CMRR表示器件抑制各輸入端共模干擾信號的能力。數學上，它指共模增益變化與差分增益之比。如果存在高共模電壓，尤其是當測量小差分信號時，此參數常常是最大的誤差貢獻因素之一。CMRR產生一個對應的輸出失調電壓誤差，該誤差是系統總誤差的一部分。AD8479的額定CMRR為96 dB。另一個誤差源是失調電壓。滿量程信號越小，失調電壓貢獻的誤差越大。
AD8479的輸入失調電壓為1 mV，轉換為ppm時，貢獻滿量程（FS）的2102 ppm。ADA4805-1引入125 μV失調電壓，其乘以增益10，故而失調電壓引起的總誤差為滿量程（FS）的3352 ppm。此外，數據手冊顯示AD8479具有0.02% FS的增益誤差，因而AD8479給電路帶來的誤差為200 ppm FS。
表1和表2分別匯總了AD8479和ADA4805-1的主要誤差源。AD8479失調電壓貢獻的誤差最大，在37.9 V輸入共模電壓下，其為2102 ppm FS。共模電壓貢獻的誤差為1262 ppm FS。這里，對于37.9 V共模電壓和0.1 檢測電阻（參見圖1），失調電壓貢獻的誤差最大，輸入共模電壓次之，不過，如果共模電壓更大，它將成為最大的誤差來源。例如，在250 V共
模電壓下，共模誤差貢獻為8329 ppm FS。對于高電壓D類放大器，這種共模電壓是很常見的。此外，檢測電阻越大，其引起的壓降越大，導致滿量程電壓提高，這最終會降低所有誤差貢獻。
下圖顯示了電流檢測電路的響應測試結果。其中還包括AD8479的輸入電壓、AD8479的輸出電壓和ADA4805-1輸出端的放大信號。大約4.74 A的電流流入檢測電阻和負載。反相輸入端信號約為±38 V，大約±500 mV出現在AD8479輸出端，這顯示了AD8479在高共模電壓存在的情況下測量差分信號的能力。
實測電流和電壓
實時監控不僅需要高精度器件，還要求快速響應，以便應對目標電流的突然變化。輸出信號的變化速度必須跟得上輸入信號的變化速度，這就需要在很短的時間內正確解讀揚聲器的電氣狀態，甚至短路事件。
本文小結
D類音頻放大器的電流監控電路需要魯棒且合適的器件來提供精確測量。AD8479的高輸入共模電壓范圍為測量D類音頻放大器的典型信號輸出提供了必要的條件。此外，AD8479和ADA4805-1具有充足的帶寬來滿足音頻頻段的工作要求。這些因素加上出色的失調、增益和CMRR特性，使得由它們構成的電流監控電路可在此類應用中提供高精度測量。 |
