功率放大器的結(jié)構(gòu)

 

功率放大器的方框圖如圖1-1所示。

 

 

差分對管輸入級

 

輸入級主要起緩沖作用。輸入輸入阻抗較高時，通常引入一定量的負(fù)反饋，增加整個功放電路的穩(wěn)定性和降低噪聲。

 

1.前置激勵級的作用是控制其后的激勵級和功勞輸出級兩推挽管的直流平衡，并提供足夠的電壓增益。

 

激勵級則給功率輸出級提供足夠大的激勵電流及穩(wěn)定的靜態(tài)偏壓。激勵級和功率輸出級則向揚(yáng)聲器提供足夠的激勵電流，以保證揚(yáng)聲器正確放音。此外，功率輸出級還向保護(hù)電路、指示電路提供控制信號和向輸入級提供負(fù)反饋信號（有必要時）。

 

放大器的輸入級功率放大器的輸入級幾乎一律都采用差分對管放大電路。由于它處理的信號很弱，由電壓差分輸入給出的是與輸入端口處電壓基本上無關(guān)的電流輸出，加之他的直流失調(diào)量很小，固定電流不再必須通過反饋網(wǎng)絡(luò)，所以其線性問題容易處理。事實(shí)上，它的線性遠(yuǎn)比單管輸入級為好。圖1-2示出了3種最常用的差分對管輸入級電路圖。

 

圖1-2種差分對管輸入級電路

 

在輸入級電路中，輸入對管的直流平衡是極其重要的。為了取得精確的平衡，在輸入級中加上一個電流反射鏡結(jié)構(gòu)，如圖1-3所示。它能夠迫使對管兩集電極電流近于相等，從而可以對二次諧波準(zhǔn)確地加以抵消。此外，流經(jīng)輸入電阻與反饋電阻的兩基極電流因不相等所造成的直流失調(diào)也變得更小了，三次諧波失真也降為不加電流反射鏡時的四分之一。

 

在平衡良好的輸入級中，加上一個電流反射鏡，至少可把總的開環(huán)增益提高6Db。而對于事先未能取得足夠好平衡的輸入級，加上電流反射鏡后，則提高量最大可達(dá)15dB。另一個結(jié)果是，起轉(zhuǎn)換速度在加電流反射鏡后，大致提高了一倍。

 

在輸入級中，即使是差分對管采用了電流反射鏡結(jié)構(gòu)，也仍然有必要采取一定措施，以見效她的高頻失真。下面簡述幾鐘常用的方法。

 

1）、恒頂互導(dǎo)負(fù)反饋法

 

圖1-4示出了標(biāo)準(zhǔn)輸入級（a）和加有恒定互導(dǎo)（gm）負(fù)反饋輸入級（b）的電路原理圖。經(jīng)計(jì)算，各管加入的負(fù)反饋電阻值為22Ω當(dāng)輸入電壓級為-40dB條件下,經(jīng)測試失真由0.32%減小到了0.032%。同時，在保持gm為恒定的情況下，電流增大兩倍,并可提高轉(zhuǎn)換速率(10~20)V/us。

 

 

圖1-3標(biāo)準(zhǔn)電流反饋鏡輸入級 1-4 標(biāo)準(zhǔn)輸入級和加有恒定互導(dǎo)負(fù)反饋輸入級

將輸入管換成互補(bǔ)反饋行對管的方法，簡稱為CFP法，電路示于圖1-5。

 

圖1-5 改進(jìn)型差分管輸入級

 

這種輸入級與上述恒定互導(dǎo)負(fù)反饋輸入級相比，在輸入電壓級為-30dB情況下，測試結(jié)果顯示，恒定互導(dǎo)負(fù)反饋輸入級給出的三次諧波失真為0.35%，而CFP型輸入級的三次諧波失真為0.045%，對其它情況來說，后者的三次諧波失真大致為前者的一半。

 

共射—共基互補(bǔ)輸入電路示于圖1-6（c）在該圖示值情況下，當(dāng)輸入電平級為-30Db時，失真見效到0.016%左右。另外，由于該電路在輸入管集電極處不存在值得重視的電壓波動，其主要好處是把輸入器件用來工作的電壓Vce給降下來。這樣就可以允許她以較低的溫度工作，從而改善其熱平衡，通常Vce為5V即可工作的很好。

 

a. 共射—共基互補(bǔ)型輸入級

b. 將輸入管換成互補(bǔ)負(fù)反饋型對管

c. 改進(jìn)輸入級線性的方法

d. 加有電流反射鏡的輸入級

 

電壓放大級

 

由于電壓放大級不僅要提供全部的電壓增益，而且還要給出正個輸出的電壓擺幅，因而電壓放大級被人為是聲頻放大器中最關(guān)鍵的部分。然而，設(shè)計(jì)的好的電壓放大級，其對整個放大器的綜合時針是沒有多達(dá)影響的，電壓放大級自身產(chǎn)生的失真是很小的。圖1-7給出了6中電壓放大級的原理圖，其中（a）為以電流源為負(fù)載的常規(guī)電壓放大級；圖(b)為負(fù)載被自舉的常規(guī)電壓放大級；（c）為通過加強(qiáng)β的射極跟隨器，深化局部負(fù)反饋電壓放大級；（d）為采用共射—共基接法，深化局部負(fù)反饋電壓放大級；（e）為加有緩沖的電壓放大級；(f)為采用交替緩沖對電壓放大管負(fù)載加以自舉的電壓放大級。

 

圖1-7 電壓放大級的6種變形電路

 

使電壓放大級具有交稿的局部開環(huán)增益是很重要的，因?yàn)橹挥羞@樣一來才能對電壓放大級記憶線性化，且可采用有源負(fù)載技術(shù)，以提高電壓增益。例如圖1-7（a、b、f）所示，若要進(jìn)一步改進(jìn)電壓放大級，其較有成效的途徑是致力于改善其特性曲線的非線性。

 

功率輸出級

 

眾所周知，決定輸出級時針的最基本因素就是工作類別。由于甲類工作狀態(tài)不會產(chǎn)生交越失真和開關(guān)失真，因而成為理想的模式。然而，其產(chǎn)生的大信號失真仍未能小到可以忽略的程度。對甲乙類而言，如果輸出功率超出甲類工作所能承受的電平，則總諧波失真肯定會增大。因?yàn)檫@時的偏置控制是超前的，其互導(dǎo)倍增效應(yīng)（即位于甲類工作區(qū)，兩管同事導(dǎo)通所導(dǎo)致的電壓增益增大現(xiàn)象）對時針殘留物產(chǎn)生影響而出現(xiàn)了許多高次諧波。這個事實(shí)似乎還鮮為人知，恐怕是由于在大多數(shù)放大器中這種互導(dǎo)倍增失真的電平相對都比較小，并被七臺河失真所完全淹沒了的緣故。對于甲乙類而言，通過對它與甲乙類失真殘留物頻譜分析可知，除不可避免的輸出級失真外，所有的非線性都已有效地加以排除，且在奇次諧波幅度上，最佳乙類狀態(tài)要比甲乙累低10Db。實(shí)際上，奇次諧波普遍認(rèn)為是最令人討厭的東西，因此正確的做法是不避免甲乙類工作狀態(tài)。

 

由此看來，關(guān)于輸出級工作狀態(tài)的選擇，似乎只能在甲鐳和乙類二者中選取。但是，如果從效率、大信號失真、溫升及其它失真等方面綜合加以考慮的話，乙類的各項(xiàng)性能指標(biāo)是壓倒其它類別的，因此輸出級選擇乙類工作狀態(tài)得到廣泛應(yīng)用。

 

輸出級的類型約有20余種，例如射極跟隨器式輸出級、互補(bǔ)反饋對管式輸出級、準(zhǔn)互補(bǔ)式輸出級、三重式輸出級、功率FET式輸出級等，還有誤差校正型輸出級、電流傾注行輸出級及布洛姆利（Blomley）型輸出級等。

 

現(xiàn)僅介紹幾鐘如下：

 

輸出級的類型

 

射極跟隨器式輸出級（達(dá)林頓結(jié)構(gòu)）

 

圖1-8是最常見的3種射極跟隨器式輸出級，他們是雙重射極跟隨器結(jié)構(gòu)，其中第一個跟隨器是第2個跟隨器（輸出管）的驅(qū)動器。這里所以不稱為答林頓結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫_(dá)林頓結(jié)構(gòu)暗含著它可以是包括了驅(qū)動管、輸出管以及各種射極電阻的集成塊。

 

圖1-8 3種類型的射極跟隨器輸出級

 

三種類型電路中，（a）為盛行的一種，其特征是把驅(qū)動管的射極電阻連接到輸出電路上去。而（b）類型兩驅(qū)動官所公有的射極電阻Rd不在接到輸出電路上，可以在輸出管正處于關(guān)斷時讓驅(qū)動管對其發(fā)射結(jié)加以反偏置。（c）類型是通過把兩驅(qū)動管射極電阻分別接到側(cè)供電電路上（而不是接到輸出電路上）來維持驅(qū)動管工作于甲類狀態(tài)的一種結(jié)構(gòu)。其突出的特點(diǎn)是在對輸出管基極進(jìn)行反偏置這一點(diǎn)上，表現(xiàn)的與（b）類型同等良好，高頻事會關(guān)端得更為干脆。

 

事實(shí)上，上述三種類型輸出級的共同特點(diǎn)都是在輸入端與負(fù)載之間串接了兩個發(fā)射結(jié)。另一個特點(diǎn)就是增益降落產(chǎn)生在大輸出電壓與重負(fù)載的場合。

 

射極跟隨器式輸出級的特點(diǎn)是輸入是通過串聯(lián)的兩個發(fā)射結(jié)傳遞給輸出端，且這一級末加局部負(fù)反饋。另一個特點(diǎn)是在扁壓與射極電阻Re之間存在兩個不同的發(fā)射結(jié)，所傳輸?shù)碾娏鞑煌?，且結(jié)溫也不同。

 

1.互補(bǔ)反饋對管式輸出級

 

互補(bǔ)反饋對管式輸出級也稱為西克對管（SzikLai-Pair）式輸出級，見圖1-9。其特點(diǎn)是，驅(qū)動管是按照有利于對輸出電壓與輸入電壓加以比較的需求來設(shè)置的，他可以給出更好的線性以及叫好的熱穩(wěn)定性。

 

由博里葉分析可知，互補(bǔ)反饋對管式輸出級產(chǎn)生的大信號非線性比射極跟隨器的要小，同時，交越區(qū)的寬度也窄的多，約為±0.3V。

 

2.準(zhǔn)互補(bǔ)式輸出級

 

圖1-10（a）示出了標(biāo)準(zhǔn)型準(zhǔn)互補(bǔ)電路，（b）為巴克森德爾（Baxandall）準(zhǔn)互補(bǔ)電路。標(biāo)準(zhǔn)型準(zhǔn)互補(bǔ)電路在交越區(qū)附近的對稱性不佳，而對稱性得到較大的改善的是采用跋克森徳爾二極管的巴克森徳爾互補(bǔ)電路。它常用語放大器的閉環(huán)中，在其它時針已大大地排除之后，它能夠給出很好的性能。例如，當(dāng)用于負(fù)反饋因數(shù)為34dB左右（30KHz）的放大器時，在100W條件下，失真可很容易做到0.0015%（1KHz）與0.15%（10kHz）。

 

圖1-9 互補(bǔ)反饋對管式輸出級 圖1-10 準(zhǔn)互補(bǔ)式輸出級

 

3.三重式輸出級

 

三重式輸出級的電路結(jié)構(gòu)，是在輸出級的每一半電路部分使用3個晶體管二不是2只，它可以有7種變形之多。該電路形式運(yùn)用得正確，可有以下兩個好處：

 

a、對于大輸出電壓與電流所給出的線性較好；

 

b、由于能夠讓前驅(qū)動管來處理功率很小的信號，耳使其可一直保持很低的工作溫度，從而使靜態(tài)設(shè)定條件更加穩(wěn)定。圖1-11示出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所常用的3種重式輸出電路。

 

 

輸出級的時針可細(xì)分為大信號非現(xiàn)行失真、交越失真和開關(guān)（關(guān)斷）失真3種。

在考慮所有雙極晶體管級的情況下，它們的大信號非線性失真（LSN）共同表現(xiàn)如下：

 

a、LSN隨負(fù)載阻抗的減小而增大

 

在負(fù)載為8Ω的典型輸出級中，其閉環(huán)LSN通常可忽略不計(jì)，但當(dāng)負(fù)載阻抗為4Ω時，其相對較純的三次諧波會在THD殘留物中變得明顯起來。

 

b、LSN隨驅(qū)動管發(fā)射極活集電極電阻的減小而加重。

 

出現(xiàn)上述情況的原因是驅(qū)動管 擺幅變大，然而其好處是可見效關(guān)端失真，二者兼顧折衷的方法是取阻值為47~100Ω。

 

需要指出的是，LSN在總失真所占有的比重（負(fù)載為8Ω時）與交越失真和關(guān)斷失真相比是很小的。這個論斷在4Ω負(fù)載時是不成立的，更不要說是2Ω負(fù)載了。如果設(shè)計(jì)重點(diǎn)不是放在使關(guān)斷失真最小化上，冊互補(bǔ)反饋對管式輸出級通常是最佳的選擇。

 

c、大Ic時的增益跌落可又簡單有效的前饋機(jī)制部分地加以抵消。

 

a.大信號非線性時針

b.輸出級的失真

 

4.交越失真

 

交越時針之所以對乙類功放最為有害，是由于它會產(chǎn)生令人討厭的高次諧波，而且其值會隨信號電品的下降而增大。事實(shí)上，就一太驅(qū)動8Ω負(fù)載放大器而言，其綜合線性是由交越失真來決定的，即使是在其輸出級設(shè)計(jì)的很好，并且加的偏壓也為最佳值時，也是如此。

 

圖1-12（欠圖）示出了失真加噪聲（THD+N）隨輸出電平降低而增大的情形，但其變化比較緩慢。實(shí)際上，射隨器式互補(bǔ)反饋對管式輸出級都具有與圖1-12相類似的曲線，不管偏置不足的程度有多大，總諧波失真在輸出電壓減半時將增加1.5倍。

 

圖1-12 THD+N隨輸出電平變化曲線（欠圖）

 

關(guān)于交越失真的情況，英國有關(guān)部門文獻(xiàn)的報道如下：

 

實(shí)驗(yàn)證明，就大多數(shù)指標(biāo)而言，互補(bǔ)反饋對管式輸出級優(yōu)于射極跟隨器式輸出級。有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果于表1-1、1-2、1-3中，其中表1-2、1-3分別為互補(bǔ)反饋對管式輸出級及射極跟隨器輸出級和互補(bǔ)反饋對管輸出級的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表中Vb為倍增偏置發(fā)生器在驅(qū)動級基極兩端建立的電壓，工作于乙類放大狀態(tài)時，Vb=Vq~3Vq，Vq為在兩個發(fā)射極電阻Re兩端產(chǎn)生的靜態(tài)電壓，通常Vq=5~50mV，依所選的電路結(jié)構(gòu)而定。靜態(tài)電流Iq為流過輸出器件的電流，其中不包括驅(qū)動級穩(wěn)定電流。

 

 

為了改善交越失真，記住以下條件結(jié)論是很重要的：

 

a、 靜態(tài)電流本身無關(guān)緊要，而VQ卻是至關(guān)重要的參量；

 

b、 一個能使VQ嚴(yán)格保持正確的熱補(bǔ)償方案，只需要知道驅(qū)動管和輸出管的結(jié)溫。令人遺憾的是，這些結(jié)溫實(shí)際上是不能準(zhǔn)確測得的，但至少我們可以知道目標(biāo)是什么。

 

5.關(guān)斷失真

 

關(guān)斷失真取決于幾個可變因素，尤其是輸出器件的速度特性和輸出拓?fù)?。關(guān)鍵的因素是輸出級能否使輸出其間b、e結(jié)反向偏置，致使載流子吸出速度最大，以便使輸出器件迅速截止。前述圖1-8（b）射隨器輸出級電路是唯一能使輸出b、e結(jié)反向偏置的普通電路。

 

第二個影響因素就是驅(qū)動級發(fā)射極或集電極的電阻值，該電阻愈小，可除去已存儲電荷的速度就越快，應(yīng)用這些準(zhǔn)則可明顯減小高頻失真。

 

此外，圖1-8(b)所示的射隨器輸出電路的共用驅(qū)動級電阻Rd上并聯(lián)一個加速電容后，可以減小高頻時的THD失真。比如，在40Hz時，可使THD減小1半，這說明輸出器件截止要"純凈"得多。當(dāng)然在300Hz~8KHz范圍內(nèi)也是會有同樣的好處。對于雙結(jié)型晶體管構(gòu)成的輸出級而言，最佳輸出級的選擇如下：

 

（1） 第二種射極跟隨器式輸出級

 

這種輸出級在對付截止失真方面是最好的，但靜態(tài)電流穩(wěn)定性可能有問題。

 

（2） 互補(bǔ)反饋對管式輸出級

 

這種輸出級具有良好的靜態(tài)電流穩(wěn)定性和很小的大信號非線性，但最大的特點(diǎn)是如果不另加高壓電源，就不可能通過輸出基極反偏置來時間快速截止。

 

（3） 巴克森徳爾準(zhǔn)互補(bǔ)式輸出

 

這種輸出級在現(xiàn)行方面與射極跟隨器輸出級差不多，但具有節(jié)約輸出器件成本的優(yōu)點(diǎn)。然而其靜態(tài)電流穩(wěn)定性卻不如互補(bǔ)反饋對管式輸出級。

 

輸出級的選擇

 

放大器的電源

 

這里簡單的舉幾例常用電源。

 

圖1-13是用與集成運(yùn)放的電源實(shí)例，該電路可輸出約0.3A的電流，是一個性能很好的并聯(lián)穩(wěn)壓電源，各晶體三極管要加足夠大的散熱器。

 

 

圖1-13 采用TL431的穩(wěn)壓電源并聯(lián)穩(wěn)壓電源的原理是由限流電路提供一比負(fù)載電流更大的電流，其一部分供給負(fù)載，多余的全部由調(diào)整管對地"短路"泄放掉，一保持輸出電壓的恒定。而串聯(lián)電源電路則是負(fù)載需要多少電流，電壓調(diào)整管則"放過"多少電流，一保持輸出電壓恒定。并聯(lián)型穩(wěn)壓電路與串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的區(qū)別只在于電壓調(diào)整管于電源的連接方式。它們同樣是起著穩(wěn)壓作用，但電源內(nèi)阻的區(qū)別帶來音質(zhì)的區(qū)別。兩種電路在相同的輸入電壓、相同的負(fù)載時，串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的內(nèi)阻比并聯(lián)型的要大的多。比如，負(fù)載Rf所需電壓U1=30V，電流If=50Ma，穩(wěn)壓電路輸入電壓U0=40V，那么在相同條件下，并聯(lián)型穩(wěn)壓電路的內(nèi)阻只是串聯(lián)型的33%。而電源內(nèi)阻低則意味著電源有交稿的能量傳輸速率，使負(fù)載所需需瞬間大電流得到及時供給，使放大器接下來度于力度得到相當(dāng)?shù)母纳坪吞岣?。并?lián)型穩(wěn)壓電路有功耗大的特點(diǎn)，不過這對于所需電流叫囂的前級是不成問題的，即使對于電流較大的后級，為了改善音質(zhì)也往往采用此種穩(wěn)壓電路。

 

場效應(yīng)管是電壓驅(qū)動類型的器件，有許多優(yōu)良的特性，例如負(fù)溫度系數(shù)、抗二次擊穿頻率特性好、低噪聲等。用于電源調(diào)整管可取得極好的性能，尤其用與高壓電源，不必再去尋找高Β的高反壓雙結(jié)晶體三極管了。

 

圖1-14示出了一再改進(jìn)的使用電路，恒流電路采用耐壓較高的低噪聲三極管。

 

 

相關(guān)參考電路：

 

 

a. 采用場效應(yīng)管的穩(wěn)壓電源

b. 采用TL431的穩(wěn)壓電源

 

 

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