專利名稱：簡(jiǎn)潔高效的超級(jí)甲類功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電信號(hào)的高保真大功率放大領(lǐng)域，對(duì)一些需要大功率高保真信號(hào)輸出的場(chǎng)合特別適用。這個(gè)電路可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)甲類的高保真和乙類的高效率，與傳統(tǒng)甲類功放相比有更大的電功率輸出同時(shí)也更加節(jié)能。與傳統(tǒng)甲乙類功放相比，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)放大的更
佳保真度。
背景技術(shù)：
功率放大器一般由電壓放大部分和電流放大部分二大部組成，電壓放大部分作用是根據(jù)最終負(fù)載電阻和輸出電功率的要求，將輸入信號(hào)的電壓放大到必要的程度；電流放大部分作用是使經(jīng)電壓放大級(jí)放大后的信號(hào)能夠輸出足夠的電功率。當(dāng)前放大器主流功率放大形式是無(wú)變壓器輸出互補(bǔ)推挽的OCL電路。當(dāng)前比較流行的是兩級(jí)電壓放大和兩級(jí)電流放大結(jié)構(gòu)，第一電流放大級(jí)主要負(fù)責(zé)推動(dòng)大功率晶體管也稱推動(dòng)級(jí)，第二電流放大級(jí)負(fù)責(zé)電功率的輸出也稱功率放大級(jí)。現(xiàn)有研究已經(jīng)證明最好的高保真放大器在電路設(shè)計(jì)上需要滿足四個(gè)要求。一是每級(jí)都是對(duì)稱的正負(fù)臂結(jié)構(gòu)，二是每級(jí)正負(fù)臂都由互補(bǔ)的放大器件來(lái)放大，三是每一級(jí)都實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的全對(duì)稱全互補(bǔ)放大。四是總體電路要簡(jiǎn)潔，簡(jiǎn)潔意味著較少放大級(jí)數(shù)，較少的器件、較少的失真、較快的反應(yīng)速度、較低的成本。所謂全對(duì)稱，在這里指的是放大器的每一級(jí)都由正負(fù)電源兩個(gè)放大回路進(jìn)行放大，形成正電源一側(cè)的正臂放大回路加負(fù)電源一側(cè)的負(fù)臂放大回路結(jié)構(gòu)，共同對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。所謂全互補(bǔ)是指每一級(jí)的兩個(gè)放大回路都由一個(gè)NPN型和一個(gè)PNP型晶體管組合形成。全互補(bǔ)全對(duì)稱結(jié)構(gòu)的放大電路有以下好處，一是讓每一級(jí)有更大的電流信號(hào)輸出，二是讓晶體管本身的非線性失真進(jìn)行互相補(bǔ)償，由于信號(hào)在正負(fù)兩臂中電流一個(gè)增加一個(gè)減小，信號(hào)是鏡像放大，晶體管的放大特性是放大倍數(shù)隨著電流會(huì)改變，所以單管放大后信號(hào)是有失真的，而鏡像放大信號(hào)綜合后，失真方向相好抵消，如此就實(shí)現(xiàn)了每一級(jí)的固有失真最小化。在三個(gè)要求中，電信號(hào)的全對(duì)稱全互補(bǔ)放大是最難實(shí)現(xiàn)的條件。難點(diǎn)在于放大器的功率放大級(jí)，如果要在這一級(jí)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的鏡像放大，考慮到最大功率輸出的要求，必須預(yù)先設(shè)定一個(gè)很大的靜態(tài)電流，導(dǎo)致功放效率很低，同時(shí)發(fā)熱量的增加對(duì)散熱系統(tǒng)和電源的要求也更高，限制了輸出功率的進(jìn)一步提高，成本也增加。設(shè)定較低的末級(jí)偏置電流將導(dǎo)致放大器在輸出電流大于兩倍末級(jí)偏置電流時(shí)，其中一個(gè)功率管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，破壞信號(hào)在末級(jí)的鏡像放大功能，功率管失真無(wú)法抵消，雖然具有互補(bǔ)對(duì)稱的硬件結(jié)構(gòu)，但是對(duì)信號(hào)的放大卻是由一只晶體管承擔(dān)。固有失真只能靠大環(huán)路的負(fù)反饋來(lái)消除，但是大環(huán)路負(fù)反饋這種結(jié)也不是完美的，由于放大電路有響應(yīng)延遲以及分布參數(shù)對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的影響，在瞬時(shí)大動(dòng)態(tài)信號(hào)輸入時(shí)，電路固有失真大的缺點(diǎn)將被顯現(xiàn)出來(lái)，產(chǎn)生新的諧波失真，這種失真稱瞬態(tài)互調(diào)失真。如此，根據(jù)放大器在額定功率下功率級(jí)的晶體管能否實(shí)現(xiàn)全程的鏡像放大，可將功率放大器分為甲類和乙類以及折中后的甲乙類等。所謂甲類是指在額定功率下，功率放大級(jí)NPN和PNP功率管能夠同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的放大與輸出。所謂乙類是指給功率管提供一個(gè)門(mén)限偏置電壓，避開(kāi)功率管非線性失真較大的那個(gè)區(qū)域，而信號(hào)電流的放大由其中的一只晶體管擔(dān)負(fù)，不考慮信號(hào)的鏡像放大功能。所謂甲乙類是指兩者的折中形態(tài)，小功率輸出時(shí)放大器功率級(jí)工作于甲類偏置狀態(tài)，該級(jí)能夠?qū)崿F(xiàn)電信號(hào)鏡像放大，但在電流輸出大于兩倍的功率級(jí)偏置電流時(shí)，其中一只晶體管截止，放大功能由另一只來(lái)完成，此電路進(jìn)入了乙類狀態(tài)。由此可見(jiàn)，信號(hào)放大質(zhì)量甲類好于甲乙類好于乙類，從效率上來(lái)說(shuō)乙類最高，其次甲乙類，最后是甲類。當(dāng)前有個(gè)誤解，認(rèn)為甲乙類和乙類音質(zhì)不如甲類是由于交越失真引起的。在功放電路實(shí)現(xiàn)大環(huán)路負(fù)反饋后，只要能夠提供一個(gè)讓功率管開(kāi)啟的靜態(tài)電流，交越失真是可以被環(huán)路負(fù)反饋抵消的。除非是功率級(jí)沒(méi)有靜態(tài)偏置電流，處于截止?fàn)顟B(tài)才會(huì)有交越失真產(chǎn)生。其實(shí)導(dǎo)致甲乙類和乙類功放保真度的真正原因是甲乙類和乙類功放在末級(jí)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)鏡像放大，由于單管推動(dòng)，造成功率管的非線性固有失真無(wú)法實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)抵消，形成功率級(jí)的固有失真。在瞬態(tài)時(shí)環(huán)路負(fù)反饋滯后造成的瞬態(tài)失真，首質(zhì)變差。這三類偏置有以下特點(diǎn)。甲類偏置的特點(diǎn)是功率管的偏置電流要大于1/2的最大輸出電流，只有能滿足達(dá)到這個(gè)條件，功率級(jí)才能輸出鏡像放大的電流，顯然這個(gè)靜態(tài)電流相對(duì)較大。電路處于甲類狀態(tài)，輸出信號(hào)保真度最高，功率級(jí)固有失真最小。缺點(diǎn)是末級(jí)采用大電流偏置，效率很低，而且放大器發(fā)熱量大，受電源和散熱能力的影響也無(wú)法輸出大功率的保真信號(hào)，只能適用于高保真功率輸出要求不高的場(chǎng)合。乙類偏置是讓兩只互補(bǔ)功率管分別負(fù)擔(dān)信號(hào)正負(fù)周期的功率放大，一只處于放大狀態(tài)另一只載止，輪流工作于信號(hào)正負(fù)半周。優(yōu)點(diǎn)是有較高的效率，能夠輸出較大的電功率，缺點(diǎn)是功率級(jí)未能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的鏡像放大，功率級(jí)的固有失真較大。難以擔(dān)當(dāng)高保真的要求，所以主要應(yīng)用于大功率而品質(zhì)要求不高的場(chǎng)合。甲乙類是個(gè)折中形式，末級(jí)功率管偏置電流介于甲類與乙類之間，所以在小功率輸出時(shí)，電路工作于甲類狀態(tài)，當(dāng)輸出電功率較大時(shí)功率輸出管處于乙類狀態(tài)，此類電路適用于音質(zhì)要求不太高，又能兼顧大功率輸出的場(chǎng)合。現(xiàn)有還有一種稱為超甲類或準(zhǔn)甲類的技術(shù)，能夠有較高的效率，但是由于對(duì)甲類高保真放大原理上認(rèn)識(shí)的不到位，所以效果都不好。表現(xiàn)在以下兩方面。一是片面認(rèn)為只要末級(jí)功率管都不進(jìn)入截止，就是甲類了，這是沒(méi)有認(rèn)識(shí)到末級(jí)的鏡像放大才是甲類音質(zhì)的保證。二是為了達(dá)到達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用了非常復(fù)雜的電路或增加放大級(jí)數(shù)，這是忽視了簡(jiǎn)潔性原則，造成了瞬態(tài)性能的惡化。所以現(xiàn)有技術(shù)效果都不好。

發(fā)明內(nèi)容
有沒(méi)有一個(gè)電路，既有甲類偏置的音質(zhì)也具有乙類偏置的效率呢，同時(shí)符合簡(jiǎn)潔至上的理念呢？這就是本發(fā)明的初衷----具有高效率的甲類功放。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)甲類功放全信號(hào)周期時(shí)的效率分析可知，甲類功放的低效率是表現(xiàn)在宏觀上的，這是由于傳統(tǒng)甲類功放為了滿足最大功率輸出時(shí)的鏡像放大設(shè)置了一個(gè)很大的末級(jí)偏流，才導(dǎo)致了整體低效率。在瞬時(shí)甲類功放的效率也可以是很高的。比如一個(gè)功率級(jí)電源電壓為正負(fù)30V，偏置電流為I. 8A的甲類功放，在8歐姆負(fù)載下輸出100W電功率時(shí)，輸出電流為3. 54A小于2倍靜態(tài)電流，所以還是工作于甲類，可得出此時(shí)功率級(jí)的效率為100W/1. 8A*2*30 = 92.6%。 所以說(shuō)甲類功放不是沒(méi)有高效率，問(wèn)題在于功率級(jí)的靜態(tài)電流設(shè)在了滿足最大功率輸出的點(diǎn)上。本發(fā)明的思路是將甲類功放的末級(jí)偏置電流設(shè)在低點(diǎn)上，隨著信號(hào)輸出電流的增大， 自動(dòng)增加偏置電流，使末級(jí)功率管進(jìn)行可持續(xù)的甲類放大，同時(shí)把效率卡在很高的位置上， 從而實(shí)現(xiàn)放大質(zhì)量與效率的統(tǒng)一。要解決的技術(shù)問(wèn)題要想實(shí)現(xiàn)大功率高效條件下的全放大器的鏡像放大，電壓放大級(jí)和推動(dòng)級(jí)由于靜態(tài)電流小，可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置很容易的實(shí)現(xiàn)信號(hào)的鏡像放大，并且不影響整體的效率，現(xiàn)有技術(shù)中的全對(duì)稱全互補(bǔ)結(jié)構(gòu)就能滿足要求。難點(diǎn)在功率級(jí)上，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法滿足要求。偏向音質(zhì)就要犧牲效率，偏向效率就犧牲了音質(zhì)。為了使功率級(jí)進(jìn)行可持續(xù)高效率的甲類信號(hào)放大，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)末級(jí)正負(fù)電源臂的偏流變化，根據(jù)偏流的損耗及時(shí)的增加末級(jí)的偏流量，補(bǔ)償功率級(jí)的電流減小，這樣功率級(jí)才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的甲類信號(hào)放大。為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔的目標(biāo)，還要將偏置量取樣，取樣信號(hào)的放大，控制信號(hào)的產(chǎn)生，偏流調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)盡量合并，達(dá)到如此要求的放大器才能稱為簡(jiǎn)潔高效率的超級(jí)甲類功率放大器。技術(shù)方案要實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，可以通過(guò)以下方案來(lái)實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)附圖
I)。用一個(gè)PNP晶體管為核心的PNP型放大回路負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)功放電流放大級(jí)正臂的偏壓Uan0再用一個(gè)NPN晶體管為核心構(gòu)成的NPN型放大回路負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)PNP功率管的偏壓Upb。這兩個(gè)電路將各自監(jiān)測(cè)的偏壓轉(zhuǎn)換成各自的基極電流。通過(guò)靜態(tài)偏置的設(shè)置，推動(dòng)管和功率管都處于線性段，而補(bǔ)償電路加入也將阻止功率管進(jìn)入非線性段，所以Uan和Upb的變化反應(yīng)了流過(guò)電流放大級(jí)正臂和負(fù)臂的電流變化，監(jiān)測(cè)偏置電壓也就監(jiān)測(cè)了偏置電流的變化量。由于功率級(jí)電流變化量遠(yuǎn)大于推動(dòng)級(jí)，所以取樣監(jiān)測(cè)管的取樣電流主要反映了 NPN功率管與PNP功率管的電流變化量。再將PNP和NPN型監(jiān)測(cè)管的集電極相連，讓兩個(gè)互補(bǔ)型的放大回路互為負(fù)載。這個(gè)電路將起到這樣的作用，流過(guò)兩互補(bǔ)管的集電極電流I將映射Uan或Upb中較小的那個(gè)。 設(shè)BG13和BG14的放大倍數(shù)相同，附屬電路參數(shù)也對(duì)稱，當(dāng)Uan > Upb時(shí)，I = β *ib2，Uan <Upb時(shí)，1= β *iblo由此可以看出，這個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)弱電壓的選擇性輸出。拉下來(lái)把BG13，BG14集電極串聯(lián)后的電路作為第二電壓放大級(jí)的負(fù)載。在第二電壓放大級(jí)的靜態(tài)電流作用下形成了壓降，為推動(dòng)級(jí)和功率級(jí)提供偏置。在靜態(tài)時(shí)，Uan = Upb,當(dāng)因溫度或電源波動(dòng)Uab增加時(shí)，后級(jí)偏置電壓也將同時(shí)增加，BG13和BG14取樣到的基極電流ibl和ib2也將增加，總電流I也同樣增加，電流放大級(jí)的偏流減小，從而抵消電流放大級(jí)偏置的增加量。當(dāng)電源和溫度波動(dòng)引起Uab減小時(shí)，也將相應(yīng)的導(dǎo)致總電流I減小，電流放大級(jí)偏流增加，抵消電流放大級(jí)偏置的減小量，所以這個(gè)電路靜態(tài)時(shí)是個(gè)恒壓源電路。在動(dòng)態(tài)時(shí)時(shí)，由于Uao和Ubo在輸出電流的作用下變化的方向相反，流過(guò)電路的總電流I將受控于趨向截止的那一臂偏壓，不論是正向還是負(fù)向，隨著輸出電流量的增加，電流I都會(huì)變小，變小的量與輸出電流相關(guān)。I減小使Uab增加，從而增加推動(dòng)級(jí)和功率級(jí)的靜態(tài)偏置，這樣該新電路就實(shí)現(xiàn)了偏流調(diào)節(jié)的功能。結(jié)合該新電路與電流放大級(jí)電路可知，偏流調(diào)節(jié)的結(jié)果是同時(shí)保持兩個(gè)互補(bǔ)功率管的放大能力，根據(jù)這個(gè)新電路在功放中的特點(diǎn)和作用可稱其為一一互補(bǔ)晶體管偏流補(bǔ)償電壓源電路，為了簡(jiǎn)便下面簡(jiǎn)稱補(bǔ)償電路。補(bǔ)償電路在實(shí)際應(yīng)用中可有不同的形態(tài)。附圖2是三端型接法，在附圖I的基礎(chǔ)上，將N點(diǎn)和P點(diǎn)一起接在輸出中點(diǎn)O點(diǎn)上，如此以O(shè)點(diǎn)為基準(zhǔn)Uab被分成了 NPN臂偏壓和 PNP臂偏壓，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)時(shí)的補(bǔ)償。附圖3是四端型接法，在附圖I的基礎(chǔ)上，將N點(diǎn)接在功率管BGll的發(fā)射極，P點(diǎn)接在功率管BG12的發(fā)射極，這樣檢測(cè)到的Uan和Upb相對(duì)Uao和 Uob相對(duì)要小一點(diǎn),但是也能起到同樣的作用。由于晶體管的放大倍數(shù)β參數(shù)變化范圍大，所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)R18和R19 調(diào)整量也大，增加了生產(chǎn)成本，所以可以在BG13的發(fā)射極和基極并聯(lián)一個(gè)電阻R20，同時(shí)在 BG14的發(fā)射極和基極也并聯(lián)一個(gè)同阻值的R21，這樣就構(gòu)成了電阻分壓式互補(bǔ)晶體管偏流補(bǔ)償電壓源電路。此種電路結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性高，簡(jiǎn)化了調(diào)試過(guò)程。有益效果當(dāng)放大器的功率級(jí)采用了這個(gè)非常簡(jiǎn)單的補(bǔ)償電路代替現(xiàn)時(shí)通常采用的單管恒壓源偏置電路。將產(chǎn)生如下的有益效果。I.由于這個(gè)電路非常簡(jiǎn)潔，所以能在極短的剎那間及時(shí)補(bǔ)償功率管電流輸出后造成的偏流減少，使下一剎那總是工作在線性放大狀態(tài)，信號(hào)電流在功率級(jí)實(shí)現(xiàn)了大電流的鏡像放大，在負(fù)載上合成的輸出電流實(shí)現(xiàn)失真的互補(bǔ)。所以該放大器具有甲類一樣的音質(zhì)。2.動(dòng)態(tài)的偏流調(diào)節(jié)，使功率級(jí)的靜態(tài)偏置電流可以設(shè)的很小，只需使功率管進(jìn)入線性段即可，隨著輸出電流的加大，實(shí)時(shí)的增加末級(jí)的偏置電流，使功率級(jí)實(shí)現(xiàn)甲類放大的同能將效率卡在最高處，輸出電流越大，效率越高。這個(gè)補(bǔ)償電路解決了困擾音響界功放放大器效率與音質(zhì)的矛盾，能使現(xiàn)有的甲類功放有更高的效率和更大的功率輸出，使甲乙類或乙類功放實(shí)現(xiàn)放大質(zhì)量的提高。結(jié)合實(shí)施例說(shuō)明(見(jiàn)圖4，圖5，圖6，圖7)圖4是三端型互補(bǔ)晶體管單電阻偏流自動(dòng)補(bǔ)償電壓源實(shí)施例，圖5是四端型互補(bǔ)晶體管單電阻偏流自動(dòng)補(bǔ)償電壓源實(shí)施例，圖6是三端型互補(bǔ)晶體管電阻分壓偏流自動(dòng)補(bǔ)償電壓源實(shí)施例，圖7是四端型互補(bǔ)晶體管電阻分壓偏流自動(dòng)補(bǔ)償電壓源實(shí)施例。這四個(gè)電路具有相同的功能，是同一設(shè)計(jì)思路下的不同實(shí)現(xiàn)形式，有相同的工作原理，下面只結(jié)合圖6詳細(xì)說(shuō)明。功放通用放大部分采用了全上下對(duì)稱和互補(bǔ)的OCL電路結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)是為了使每一級(jí)都實(shí)現(xiàn)固有失真的最小化，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)在所有級(jí)的全對(duì)稱放大與失真的互相補(bǔ)
\-ΖΧ O電路的核心是三端型互補(bǔ)晶體管偏流補(bǔ)償電壓源電路(見(jiàn)虛線框內(nèi))，在功放電路中該裝置位于第二電壓放大級(jí)的尾部，是第二電壓放大級(jí)的直流負(fù)載，其上的壓降為推動(dòng)級(jí)和功率級(jí)提供靜態(tài)偏置。首先介紹一下通用電路部分。這個(gè)功放電路采用了兩級(jí)電壓放大，兩級(jí)電流放大的四級(jí)結(jié)構(gòu)，是比較成熟的結(jié)構(gòu)，即有足夠的放大倍數(shù)，也有較好的瞬態(tài)特性。第一電壓放大級(jí)由BG3，BG4，兩個(gè)互補(bǔ)的晶體管組成，要求是放大倍數(shù)和特性盡量一致。集電極電阻R4，R5也要盡量相。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的鏡像放大，第一電壓放大級(jí)固有失真最小化。BGl和BG2構(gòu)成的電路是兩個(gè)恒流源電路，用恒流源電路的原因是盡量減少電源波動(dòng)對(duì)第一放大級(jí)的影響，同時(shí)恒流源交流阻抗非常大，可以減少信號(hào)電流的損失。 BG5，BG6實(shí)現(xiàn)環(huán)路負(fù)反饋的加入，這兩個(gè)管子特性也盡量與BG3和BG4相同。第二電壓放大級(jí)由BG7，BG8這對(duì)互補(bǔ)管組成，這個(gè)放大級(jí)即起電壓放大的作用，也起電壓與電流的轉(zhuǎn)換作用，其集電極輸出的電流就是后面的電流放大級(jí)的信號(hào)電流。第一電流放大級(jí)是由BG9，BGlO這對(duì)互補(bǔ)管組成的，作用是為末級(jí)的功率放大管提供充足的推動(dòng)電流，所以所稱推動(dòng)級(jí)。這一級(jí)管子是在全信號(hào)周期內(nèi)都起導(dǎo)通放大功能， 所以失真是可以抵消的。第二電流放大級(jí)是由BG11，BG12這對(duì)互補(bǔ)管組成的，由于這一級(jí)流過(guò)的電流很大，消耗的功率也很大，所以也稱功率級(jí)，晶體管也稱功率管，主要負(fù)責(zé)電功率的輸出。如果這對(duì)管子能在全信號(hào)周期內(nèi)都起到導(dǎo)通和信號(hào)放大功能，這個(gè)電路就能起到失真互補(bǔ)的作用。推動(dòng)級(jí)的BG9和功率級(jí)的BGll共同組成了電流放大級(jí)的NPN臂或正臂，推動(dòng)級(jí)的 BGlO和功率級(jí)的BG12共同組成了電流放大級(jí)的PNP臂或負(fù)臂。下面重點(diǎn)介紹補(bǔ)償電路的工作原理。補(bǔ)償電路A點(diǎn)接在BG7集電極與BG9基極上，B點(diǎn)接BG8的集電極與BGlO的基極上。O點(diǎn)接在輸出中點(diǎn)。該補(bǔ)償電路流過(guò)的電流I與推動(dòng)級(jí)的基極偏置電流共同構(gòu)成了第二放大級(jí)的集電極電流通道，補(bǔ)償電路上的壓降為電流放大級(jí)提供了偏置電壓。零點(diǎn)或靜態(tài)時(shí)，Uao等于Uob，兩監(jiān)測(cè)管中流過(guò)的電流相同。當(dāng)溫度變化或電源波動(dòng)導(dǎo)致AB間有共模信號(hào)加入導(dǎo)致Uab增大時(shí)，Uao和Uob同時(shí)增大，補(bǔ)償電路中流過(guò)的電流 I也加大，導(dǎo)致Uab減小，抵消了這個(gè)共模信號(hào)對(duì)后級(jí)的影響。Uab減小時(shí)，補(bǔ)償電路中的I 也減小，導(dǎo)Uab增加，也能起到穩(wěn)定作用，所以這個(gè)電路在靜態(tài)與零點(diǎn)時(shí)是個(gè)恒壓源電路。當(dāng)信號(hào)處于正半周時(shí)，電壓信號(hào)經(jīng)電壓放大級(jí)放大后，A點(diǎn)B點(diǎn)O點(diǎn)電位都將升高， 這時(shí)功放對(duì)外輸出正向電流，BGll電流增加，導(dǎo)致Uao增加，Ubo下降。由于Uao > Uob，流過(guò)補(bǔ)償電路的電流I隨著Uob變化也減小，將導(dǎo)致Uab增加，從而加大了電流放大級(jí)的偏置電流。從而補(bǔ)償了功率管BG12因電流輸出而導(dǎo)致的電流減小，保持與靜態(tài)時(shí)差不多的偏置電流。信號(hào)處于負(fù)半周時(shí)，A點(diǎn)B點(diǎn)O點(diǎn)電位都將降低，這時(shí)功放輸出負(fù)向電流，BG12電流增加，使Uob增加，Uao下降。由于Uao < Uob，流過(guò)BG13和BG14的集電極電流I將跟隨 Uao的變化減小，導(dǎo)致Uab增加，電流放大級(jí)的偏置電流將增加，使BGll的電流保持與靜態(tài)時(shí)差不多的電流。這樣補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)了低靜態(tài)電流條件下的大功率甲類信號(hào)放大能力。接下來(lái)分析本實(shí)施例電路輸出的電流是否如甲類電路一樣實(shí)現(xiàn)了失真互補(bǔ)。假設(shè)末級(jí)的靜態(tài)電流設(shè)為10mA，看看能不能以甲類狀態(tài)輸出最大值為IA的正弦波電流。由于信號(hào)總是連續(xù)的，下一刻總是上一刻的繼承與發(fā)展，下面用微分法進(jìn)行分析， 步長(zhǎng)設(shè)定為1mA。第一時(shí)刻,輸出電流從O上升到ImA時(shí),輸出電流小于偏置電流,此時(shí)功率管處于甲類，輸出電流由BG11和BG12共同負(fù)擔(dān)，BG11的集電極電流從I OmA增加到了 10. 5mA，BG12 的集電極電流從IOmA減少到了 9.5mA。這個(gè)結(jié)果導(dǎo)致Uao上升，Uob下降，這時(shí)補(bǔ)償電路中的電流I減少，末級(jí)偏流增大起到了保持BG12工作點(diǎn)的作用，使BG12集電極電流大致保持在IOmA左右，補(bǔ)償后BGlI的電流則增加到11mA。此時(shí)電路相當(dāng)于末級(jí)偏置電流為10. 5mA 的普通甲類功放輸出ImA電流時(shí)的那個(gè)狀態(tài)。第二時(shí)刻輸出電流從ImA增加到了 2mA。此時(shí)，BGll的電流為11. 5mA,BG12的電流為9. 5mA,同樣經(jīng)補(bǔ)償后，BGll電流為12mA，BG12為 10mA，此時(shí)本功放相當(dāng)于末級(jí)偏置電流為IlmA的普通甲類功放輸出2mA時(shí)的那個(gè)狀態(tài)。以此類推到輸出IA電流時(shí)，BGll的電流為1009. 5mA, BG12的電流為9. 5mA，經(jīng)補(bǔ)償后，BGll 為1010mA，BG12為10mA。相當(dāng)于末級(jí)偏流為510mA的普通甲類功放輸出IA電流時(shí)的那個(gè)狀態(tài)。當(dāng)輸出電流再?gòu)腎A減少到999mA時(shí)，BGll的電流為1009. 5mA, BG12為10. 5mA, Uao 相比上一刻減小，Uob則加大，但是Uao還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Uob, BG13還是飽和,但是BG14的基極電流相比上刻增加，所以I相比上一刻是增加的，這將導(dǎo)致功率級(jí)偏置電流的減少。補(bǔ)償后，BG12電流將維持IOmA左右。BGll的電流為1009mA。此時(shí)電路相當(dāng)于普通甲類電路末級(jí)偏流為509. 5mA時(shí)輸出999mA電流時(shí)的那個(gè)狀態(tài)。其余以此類推。從上面分析可以看出，在每一時(shí)刻，電路總是工作于甲類狀態(tài)，功率管沒(méi)有進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，并且都處于放大狀態(tài)，所以輸出的電流在每一時(shí)刻都是鏡像互補(bǔ)的。由此可以看出本電路在輸出電流大于2倍功率級(jí)偏置電流時(shí)，末級(jí)還是工作于失真互補(bǔ)狀態(tài)的。固有失真在功率級(jí)實(shí)現(xiàn)了甲類的最小化，同時(shí)也具備了很高的效率，所以整個(gè)功放電路真正實(shí)現(xiàn)了超級(jí)甲類放大。
權(quán)利要求
1.互補(bǔ)晶體管偏流補(bǔ)償電壓源電路，該電路用一個(gè)PNP晶體管構(gòu)成的放大回路監(jiān)測(cè)功放電流放大級(jí)正電源臂的偏置電壓Uan，用一個(gè)NPN晶體管構(gòu)成的放大回路監(jiān)測(cè)功放電流放大級(jí)負(fù)電源臂的偏置電壓Upb，將互補(bǔ)監(jiān)測(cè)管的集電極相連，兩個(gè)發(fā)射極形成的回路作為電壓放大級(jí)的直流負(fù)載，該電路有以下特點(diǎn)采用一對(duì)互補(bǔ)晶體管構(gòu)成的兩個(gè)取樣回路分別對(duì)功放電流放大級(jí)正電源臂和負(fù)電源臂偏壓進(jìn)行采樣，形成基極電流ibl和ib2，通過(guò)兩監(jiān)測(cè)管的集電極相連實(shí)現(xiàn)弱變量的選擇放大，同時(shí)兩互補(bǔ)監(jiān)測(cè)管輸出通路作為功放電壓放大級(jí)的直流負(fù)載，產(chǎn)生的壓降為后級(jí)提供穩(wěn)定的靜態(tài)偏置，動(dòng)態(tài)時(shí)弱取樣電流控制的總集電極電流I實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)功放電流放大級(jí)的偏置電流，使功率級(jí)工作于高效的甲類放大狀態(tài)。
2.三端型互補(bǔ)晶體管電阻偏流補(bǔ)償電壓源電路，根據(jù)權(quán)利1，BG13的發(fā)射極聯(lián)接第二電壓放大級(jí)BG7的集電極和推動(dòng)管BG9的基極A點(diǎn)，BGl3的基極串聯(lián)電阻R18后接在功放輸出中點(diǎn)O點(diǎn)，BG13的集電極與BG14的集電極相連，BG14的發(fā)射極聯(lián)接在第二電壓放大級(jí) BG8的集電極和推動(dòng)管BGlO的基極B點(diǎn)，BG14的基極串聯(lián)電阻R19后接在輸出中點(diǎn)O點(diǎn)， 其特點(diǎn)是以中點(diǎn)O為基準(zhǔn)，將功放電流放大級(jí)總偏壓Uab分成正電源臂偏壓Uao和負(fù)電源臂Uob，通過(guò)電阻R18和R19分別轉(zhuǎn)換成BG13和BG14的基極電流ibl和ib2，通過(guò)BG13 和BG14的集電極相連，起到選擇放大ibl和ib2中較小的那個(gè)，BG13和BG14兩發(fā)射極間的通路作為電壓放大級(jí)的直流負(fù)載，產(chǎn)生的壓降Uab為功放后級(jí)提供靜態(tài)偏置，動(dòng)態(tài)時(shí)ibl 或ib2控制集電極總電流I，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功率級(jí)的偏置電流，起到定量補(bǔ)償末級(jí)靜態(tài)電流的消耗。
3.三端型互補(bǔ)晶體管電阻分壓偏流補(bǔ)償電壓源電路，根據(jù)權(quán)利1，BG13的發(fā)射極聯(lián)接第二電壓放大級(jí)BG7的集電極和推動(dòng)管BG9的基極A點(diǎn)，BG13的發(fā)射極與基極間并聯(lián)電阻 R20，BG13的基極通過(guò)電阻R18連接功放輸出中點(diǎn)O點(diǎn)，BG13和BG14的集電極相連，BG14 的發(fā)射極聯(lián)接在第二電壓放大級(jí)BG8的集電極和推動(dòng)管BGlO的基極B點(diǎn)，BG14的發(fā)射極與基極間并聯(lián)電阻R21，BG14的基極通過(guò)電阻R19連接功放輸出中點(diǎn)O點(diǎn)，其特點(diǎn)是以中點(diǎn)O為基準(zhǔn)，將功放電流放大級(jí)總偏壓Uab分成正電源臂偏壓Uao和負(fù)電源臂Uob，Uao通過(guò)電阻R18，R20, BG13分壓式取樣電路形成BG13的基極電流ibl，Uob通過(guò)R19，R21，BG14 分壓式取樣電路形成BG14的基極電流ib2，通過(guò)BG13和BG14的集電極相連，起到選擇放大 ibl和ib2中較小的那個(gè)，BG13和BG14兩發(fā)射極間的通路作為電壓放大級(jí)的直流負(fù)載，靜態(tài)時(shí)其上的壓降Uab為功放后級(jí)提供靜態(tài)偏置，動(dòng)態(tài)時(shí)ibl或ib2控制集電極總電流I，實(shí)時(shí)補(bǔ)償末級(jí)靜態(tài)電流的消耗，相比權(quán)利2電路，電阻分壓式取樣電路穩(wěn)定性更好，可以方便生產(chǎn)調(diào)試。
4.四端型互補(bǔ)晶體管電阻偏流補(bǔ)償電壓源電路，根據(jù)權(quán)利1，BG13的發(fā)射極連接第二電壓放大級(jí)BG7的集電極和推動(dòng)管BG9的基極A點(diǎn)，BG13基極串聯(lián)電阻R18后接在功率管 8611的發(fā)射極，8613的集電極與8614的集電極相連，8614的發(fā)射極聯(lián)接在第二電壓放大級(jí) BG8集電極與推動(dòng)管BGlO的基極B點(diǎn)，BG14的基極串聯(lián)電阻R19后接在功率管BG12的發(fā)射極，該電路的特點(diǎn)以前后級(jí)聯(lián)的推動(dòng)管和功率管的基射偏壓Uan和Upb作為取樣目標(biāo)， 該電壓經(jīng)過(guò)電阻R18和R19分別轉(zhuǎn)換成BG13和BG14的基極電流ibl和ib2，通過(guò)BG13和 BG14的集電極相連，起到選擇放大ibl和ib2中較小的那個(gè)，BG13和BG14兩發(fā)射極間的通路作為電壓放大級(jí)的直流負(fù)載，靜態(tài)時(shí)其上的壓降Uab為后級(jí)提供穩(wěn)定的靜態(tài)偏置，動(dòng)態(tài)時(shí)ibl或ib2控制集電極總電流I，定量補(bǔ)償末級(jí)靜態(tài)電流的消耗，實(shí)現(xiàn)高效的甲類信號(hào)放大。
5.四端型互補(bǔ)晶體管電阻分壓偏流補(bǔ)償電壓源電路，根據(jù)權(quán)利1，BG13的發(fā)射極聯(lián)接第二電壓放大級(jí)BG7的集電極和推動(dòng)管BG9的基極A點(diǎn)，BG13的發(fā)射極與基極間并聯(lián)電阻R20，BG13的基極通過(guò)電阻R18連接功放管BGll的發(fā)射極，BG13和BG14的集電極相連， BG14的發(fā)射極聯(lián)接在第二電壓放大級(jí)BG8的集電極和推動(dòng)管BGlO的基極B點(diǎn)，BG14的發(fā)射極與基極間并聯(lián)電阻R21，BG14的基極通過(guò)電阻R19連接功率管BG12的發(fā)射極，該電路的特點(diǎn)以前后級(jí)聯(lián)的推動(dòng)管和功率管的基射偏壓Uan和Upb作為取樣電壓，Uan通過(guò)電阻 R18，R20, BG13分壓式取樣電路形成BG13的基極電流ibl，Upb通過(guò)R19，R2LBG14分壓式取樣電路形成BG14的基極電流ib2，通過(guò)BG13和BG14的集電極相連，起到選擇放大ibl和 ib2中較小的一個(gè)，BG13和BG14兩發(fā)射極間的通路作為電壓放大級(jí)的直流負(fù)載，靜態(tài)時(shí)其上的壓降Uab為功放后級(jí)提供靜態(tài)偏置，動(dòng)態(tài)時(shí)ibl或ib2控制集電極總電流I，起到補(bǔ)償末級(jí)靜態(tài)電流的消耗，相比權(quán)利4電路，電阻分壓式取樣電路穩(wěn)定性更好，可以方便生產(chǎn)調(diào)試。
全文摘要
這是一款應(yīng)用了互補(bǔ)晶體管偏流補(bǔ)償電壓源電路的功率放大器。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在簡(jiǎn)潔和小電流偏置的條件下，能實(shí)現(xiàn)大電流的甲類信號(hào)放大。方法是隨著輸出電流的增加實(shí)時(shí)提高功放末級(jí)的偏置電流，補(bǔ)償其中一只功率管因電流輸出而導(dǎo)致的偏流減小，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的甲類信號(hào)放大。使功放在大電流時(shí)工作于高效率的甲類狀態(tài)，輸出電流越大，效率越高。其核心偏置電路只用了兩個(gè)互補(bǔ)晶體管的組合就實(shí)現(xiàn)了上述要求，電路簡(jiǎn)潔明快，主信號(hào)放大回路相比傳統(tǒng)電路沒(méi)有任何改變，創(chuàng)新集中在恒壓源電路上，所以電路有很高的瞬態(tài)性能。
文檔編號(hào)H03F1/02GK102594263SQ201210038949
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月13日
發(fā)明者金海輝 申請(qǐng)人:金海輝