介绍

 Zobel(Zobel)网络，又称波切洛特(Boucherot)单元，最简单的形式是一个串联式阻容(RC)网络。这个网络与音频扬声器并联，其目的是为了降低声音绕线电感L(e)的影响。

 这些网络已经使用了数十年，目的是为了能够在工作频率范围内使扬声器负载对放大器输出呈电阻抗特性，同时增加音频放大器的稳定因子。此外，在众多的应用中，一个放大器要驱动多个扬声器，于是采用了交叉网络结构。Zobel网络可通过保持负载的阻抗电阻简化交叉网络的设计。

 随着高功率(>100瓦)音频放大IC的出现，如果该网络的器件值选取不当，则会对IC产生严重的损坏。这将是本文即将描述的主题。

 背景

 音频扩音器具有复杂的阻抗，然而音频放大器更适于驱动纯电阻阻抗的负载。为了补偿这一点，引入了Zobel网络与扬声器并联。

 一些设计者采用了“经验法则”的方法。在这个方法中，习惯选取电阻阻值介于2.7Ω和10Ω之间，这依赖于扬声器的直流(DC)电阻阻抗，且电容的容值恒定在100 nF。

 这个方法对大多数的分离放大器是适用的，但是如果没有理解扬声器的参数而选取器件值将会对IC功放导致严重的不良后果。

 分析

 图1是扬声器驱动的一个简单电-声电路模型。该驱动模型的电路值可从厂家数据手册给定的参数中获取，或者通过网络分析仪获得。

 

 

图1：扬声器驱动模型。(1)

 

定义：

 R_evc是声音绕线直流电阻阻抗

L_evc是声音绕线电感

L_ces是驱动器机械性悬架随动的电气模拟量

C_mes是驱动器锥质量的电气模拟量

R_es是驱动器机械性悬架电阻阻抗的电气模拟量

为了示范Zobel网络的值该如何计算，选取了流行音频系统所使用的扬声器，而且下列Thiele-Small参数均来源于厂家的数据手册：

Bl = 6.5 Tm(力因子)

Cms = 53.3 um/N(机械顺从性)

Mms = 0.0104 kg(机械顺从性)

Rms = 1.56(机械损耗)

 图1中器件值可以测量或计算成如下：

 R_evc = 8 Ω(用欧姆计测量)

L_evc = 135 uH(用电感计测量，通常电感是重要的)

 L_ces = Cms*(Bl)² = 2.25 mH

C_mes = Mms / (Bl)² = 246 uF

R_es = (Bl)² / R_ms = 27 Ω

 常量：

j = √-1

ω(f) = 2πf

 扬声器的复杂阻抗可用公式表示成：

 

 

公式(1)

 

该结果体现在了下面的声音绕线驱动(VCD)阻抗与频率比值的曲线上，如图2所示：

 

 

图2：VCD阻抗与频率曲线(计算结果)。

 

在谐振点，L_ces和C_mes本质而言是开路的，因此，谐振点的峰值阻抗Z_res是R_evc和R_es的串联和，即Z_res = 8 Ω + 27 Ω = 35 Ω。

 声音绕线驱动器基本而言是一个RL电路，因此阻抗与频率是成正比的。后面将会阐述为何电感的增加对IC音频放大器是有害的。

图3：VCD阻抗与频率曲线(测量结果)。

 

图3是利用网络分析仪测量得到的声音绕线驱动器的复杂阻抗曲线图。得到的数据与计算值相近。

当然，如果你有权使用网络分析仪且没有扬声器厂家的数据手册，图1中的器件值可从图3中的曲线推导出，结果如下：

 R_evc在低频(如10Hz)是8 Ω.

在谐振点，阻抗Z_res是35 Ω.

很简单，R_es的值是：

R_es = (Z_res - R_evc) = 35 Ω - 8 Ω = 27 Ω (2)

 到此我们能够计算方均值Rl：

Rl = √[ Z_res* R_evc] ≈ 17 Ω (3)

 需要从曲线确定的下一个量是峰值两边的频率F1和F2，峰值的阻抗等于Rl (fl = 190 Hz, f2 = 240 Hz)。

C_mes的值可通过如下计算得到：

C_mes = √(Z_res / R_evc) / (2π * (f2 - f1) * Res) (4)

C_mes= √(35 / 8) / (2π * (240 - 190) * 27)

C_mes = 246.59 uF

 L_ces的值可通过如下计算得到：

L_ces = ((f2 - f1) * R_res*√(R_evc / Z_res)) / (2π*f1*f2) (5)

L_ces = ((240 - 190)*27*√(8 / 35)) / (2π * 190 * 240)

L_ces = 2.25 mH

 曲线图表明了在20 kHz频点19Ω的阻抗。Levc的值可通过如下计算得到：

L_evc = √(Z_20kHz² - R_evc²) / (2π * 20kHz) (6)

L_evc = √(19² - 8²) / (2π * 20kHz)

L_evc = 137 uH

 已从图3的曲线图得出了模型的所有器件值，这些值和采用厂商手册中的参数得到的计算值接近匹配。

 添加Zobel网络

 图4表明了对扬声器驱动模型添加了两个器件(RZ和CZ)：

 

 

图4：包含Zobel网络(R_Z和C_Z)的扬声器驱动模型。

 

对Zobel网络，R_Z和C_Z的计算值如下：

RZ = R_evc = 8 Ω

 其中，C_Z的值由下列公式得到：

C_Z = L_evc / R_evc² (7)

C_Z = 2.14 uF

 Zobel网络的阻抗计算公式为：

 Z_Zobel(f) = R_Z + 1 / (j * ω(f) * C_Z) (8)

 通过式(1)和式(8)的并联合并，总负载阻抗为：

 Z_Load(f) = 1 / (1 / Z_Zobel(f) + 1 / Z_VC(f)) (9)

 结果如图5所示。

 

 

图5：添加Zobel网络后的VCD阻抗与频率的比值曲线(计算结果)。

图6是利用网络分析仪对合并后的Zobel网络和声音绕线驱动阻抗进行测量的结果，该结果与计算值是非常近似相关的。VCD的增加电感已得到近乎全部补偿。

 

 

图6：添加Zobel网络后的VCD阻抗与频率的比值曲线(测量结果)。

 

“经验法则”的结果

 为了证明Zobel网络选取器件时理解扬声器声音绕线驱动器参数的重要性，将会采用相同的分析方法来分析“经验法则” 的器件选取。该例中，RZ仍为8 Ω，且CZ将采用容值为0.1 ?F的标准电容。

 利用式(9)，我们可得到如图7所示的曲线。

 

 

图7：添加Zobel网络后的VCD阻抗与频率“经验法则”值(计算结果)。

 

这些值和VCD的测量曲线结果是相同的。由此可见，在不知道VCD参数的情况下，由于电感L和电容C的合并，利用标准的“经验法则”值实际会使得电感感抗更糟。这就是首先采用Zobel网络理所当然的原因。

集成电路和寄生性

 由于芯片的单片集成电路结构，集成电路具有和正规的三极管、电阻等相关的寄生器件。例如，所有的PN结具有电压相关容抗，这些容抗是和耗尽层相联系的。

 

 

图8：集成电路寄生性例子。

 

图8描述了如果任意输入输出管脚引入了低于地的电平，则会出现一个不好的额外“特性”。

 图8所示的是一个描述了两个外延阱区的集成电路横截面。左边的那个阱区有一个N+扩散区，它可以为达到偏置目的与阱区进行适当接触，而且为电阻使用了一个P型的基极扩散区。第二个阱区是一个NPN型的晶体管，在这个假设的电路中，在输出级是低(下沉)功率类型的晶体管。该晶体管的集电极与扬声器的驱动管脚相连。

 红色标注部分是一个由Q1和Q2组成的潜在寄生SCR。Q1的集电极由左边的EPI阱区形成的，基极是底层部分，发射极是功率NPN三极管的EPI阱区。Q2的集电极是底层部分，因此它是和Q1的基极相连的。Q2的基极由左边的EPI阱区形成，因此它是和Q1的集电极相连的。最后，Q2的发射极是电阻的P型扩散形成的。

 如果由于任何原因该IC音频放大器的输出管脚对Q1基-射结的前向偏置引入了充分数量的低于地的电平，则Q1将导通。其集电极电流导致基极电流流入到Q2，使得Q2也处于导通状态。由于Q2的集电极电流流入Q1的基极，所以将会导致一个再生行为，而且两个晶体管都将锁存为ON状态，本质而言它就是一个SCR。在该例中，SCR的正极连接到+V，一旦+V开启，则SCR可将引起电源的瞬时短路。通常，电源是不会受到任何损害的，其结果是导致IC的短暂失效或严重受损。

 在有些情况下，寄生器件的电流增益是非常低的，EPI阱区/底层的体积电阻也将足够的小，从而阻止SCR导通。因为SCR的概率始终存在，多数的数据手册在其“绝对最大额定值”部分详细说明了将-0.3V作为所能接受的最大负电压。

 电感影响为了证明音频功率放大IC上的Zobel网络的选取非正确值后的影响，将一个标准的放大器首先和一个具有Zobel网络特征的扬声器相连，其中使用了如图5所示的经计算的器件值。一个脉冲信号注入到输入端，增加信号的强度直到输出端处于兼容态(轨对轨)。

 

 

图9：带有经计算的Zobel器件值的放大器输出电压。

 

图9可以看出，在一个放大的垂直比例上波形较低的部分表明了输出电压大约是高于地的1V电平，这是由于较低输出的三极管正处于饱和状态。

 然后，将Zobel网络的器件值变更成“经验法则”的值，且采用相同的输入信号强度，可得到下面的波形图。

 

 

图10：采用“经验法则”Zobel网络器件值的放大器输出电压。

 

由此可见，电感迫使输出端的电压过冲到-1V的水平。

 

 

图11：放大器输出电压(上部分轨迹)和供电管脚电流(较低电压)。

 

图11是负电压对IC影响的示例。上部分的轨迹(C2)是输出电压，下部分轨迹(C3)是流入到供电管脚的电流。当输出电压低于地电平时，供电电流将会急剧??达到11A。在该情形下，锁存机制不会开启，但假定正确的结果和处理参数，一个四层锁存器也许会开启并破坏整个设备。

 结论

 上述表明，透彻理解音频扬声器的参数和适当的选取阻抗修改电路(Zobel网络)是十分重要的。这确保了VCD电感的影响可以得到有效补偿，从而提高放大器的稳定性并消除破坏性的负电压。

 

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