功率放大器的結構

 

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聲器提供足夠的激勵電流，以保證揚聲器正確放音。此外，功率輸出級還向保護電路、指示電路提供控制信號和向輸入級提供負反饋信號（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的電流輸出，加之他的直流失調量很小，固定電流不再必須通過反饋網(wǎng)絡，所以其線性問題容易處理。事實上，它的線性遠比單管輸入級為好。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構，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15dB。另一個結果是，起轉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構，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）、恒頂互導負反饋法

 

圖1-4示出了標準輸入級（a）和加有恒定互導（gm）負反饋輸入級（b）的電路原理圖。經(jīng)計算，各管加入的負反饋電阻值為22Ω當輸入電壓級為-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,并可提高轉換速率(10~20)V/us。

 

 

圖1-3標準電流反饋鏡輸入級 1-4 標準輸入級和加有恒定互導負反饋輸入級

將輸入管換成互補反饋行對管的方法，簡稱為CFP法，電路示于圖1-5。

 

圖1-5 改進型差分管輸入級

 

這種輸入級與上述恒定互導負反饋輸入級相比，在輸入電壓級為-30dB情況下，測試結果顯示，恒定互導負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—共基互補輸入電路示于圖1-6（c）在該圖示值情況下，當輸入電平級為-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—共基互補型輸入級

b. 將輸入管換成互補負反饋型對管

c. 改進輸入級線性的方法

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鍵的部分。然而，設計的好的電壓放大級，其對整個放大器的綜合時針是沒有多達影響的，電壓放大級自身產生的失真是很小的。圖1-7給出了6中電壓放大級的原理圖，其中（a）為以電流源為負載的常規(guī)電壓放大級；圖(b)為負載被自舉的常規(guī)電壓放大級；（c）為通過加強β的射極跟隨器，深化局部負反饋電壓放大級；（d）為采用共射—共基接法，深化局部負反饋電壓放大級；（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，因為只有這樣一來才能對電壓放大級記憶線性化，且可采用有源負載技術，以提高電壓增益。例如圖1-7（a、b、f）所示，若要進一步改進電壓放大級，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)不會產生交越失真和開關失真，因而成為理想的模式。然而，其產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。因為這時的偏置控制是超前的，其互導倍增效應（即位于甲類工作區(qū)，兩管同事導通所導致的電壓增益增大現(xiàn)象）對時針殘留物產生影響而出現(xiàn)了許多高次諧波。這個事實似乎還鮮為人知，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。實際上，奇次諧波普遍認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，乙類的各項性能指標是壓倒其它類別的，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、互補反饋對管式輸出級、準互補式輸出級、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（達林頓結構）

 

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構，其中第一個跟隨器是第2個跟隨器（輸出管）的驅動器。這里所以不稱為答林頓結構，因為達林頓結構暗含著它可以是包括了驅動管、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，其特征是把驅動管的射極電阻連接到輸出電路上去。而（b）類型兩驅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斷時讓驅動管對其發(fā)射結加以反偏置。（c）類型是通過把兩驅動管射極電阻分別接到側供電電路上（而不是接到輸出電路上）來維持驅動管工作于甲類狀態(tài)的一種結構。其突出的特點是在對輸出管基極進行反偏置這一點上，表現(xiàn)的與（b）類型同等良好，高頻事會關端得更為干脆。

 

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

 

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

 

1.互補反饋對管式輸出級

 

互補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。其特點是，驅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，互補反饋對管式輸出級產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.準互補式輸出級

 

圖1-10（a）示出了標準型準互補電路，（b）為巴克森德爾（Baxandall）準互補電路。標準型準互補電路在交越區(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，當用于負反饋因數(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 互補反饋對管式輸出級 圖1-10 準互補式輸出級

 

3.三重式輸出級

 

三重式輸出級的電路結構，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)設定條件更加穩(wěn)定。圖1-11示出了產品設計中所常用的3種重式輸出電路。

 

 

輸出級的時針可細分為大信號非現(xiàn)行失真、交越失真和開關（關斷）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隨負載阻抗的減小而增大

 

在負載為8Ω的典型輸出級中，其閉環(huán)LSN通?？珊雎圆挥嫞斬撦d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動管 擺幅變大，然而其好處是可見效關端失真，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（負載為8Ω時）與交越失真和關斷失真相比是很小的。這個論斷在4Ω負載時是不成立的，更不要說是2Ω負載了。如果設計重點不是放在使關斷失真最小化上，冊互補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。事實上，就一太驅動8Ω負載放大器而言，其綜合線性是由交越失真來決定的，即使是在其輸出級設計的很好，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。實際上，射隨器式互補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）

 

關于交越失真的情況，英國有關部門文獻的報道如下：

 

實驗證明，就大多數(shù)指標而言，互補反饋對管式輸出級優(yōu)于射極跟隨器式輸出級。有關實驗結果于表1-1、1-2、1-3中，其中表1-2、1-3分別為互補反饋對管式輸出級及射極跟隨器輸出級和互補反饋對管輸出級的實驗結果。表中Vb為倍增偏置發(fā)生器在驅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兩端產生的靜態(tài)電壓，通常Vq=5~50mV，依所選的電路結構而定。靜態(tài)電流Iq為流過輸出器件的電流，其中不包括驅動級穩(wěn)定電流。

 

 

為了改善交越失真，記住以下條件結論是很重要的：

 

a、 靜態(tài)電流本身無關緊要，而VQ卻是至關重要的參量；

 

b、 一個能使VQ嚴格保持正確的熱補償方案，只需要知道驅動管和輸出管的結溫。令人遺憾的是，這些結溫實際上是不能準確測得的，但至少我們可以知道目標是什么。

 

5.關斷失真

 

關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撲。關鍵的因素是輸出級能否使輸出其間b、e結反向偏置，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結反向偏置的普通電路。

 

第二個影響因素就是驅動級發(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，應用這些準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。當然在300Hz~8KHz范圍內也是會有同樣的好處。對于雙結型晶體管構成的輸出級而言，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） 巴克森徳爾準互補式輸出

 

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。然而其靜態(tài)電流穩(wěn)定性卻不如互補反饋對管式輸出級。

 

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是用與集成運放的電源實例，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載電流更大的電流，其一部分供給負載，多余的全部由調整管對地"短路"泄放掉，一保持輸出電壓的恒定。而串聯(lián)電源電路則是負載需要多少電流，電壓調整管則"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，但電源內阻的區(qū)別帶來音質的區(qū)別。兩種電路在相同的輸入電壓、相同的負載時，串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的內阻比并聯(lián)型的要大的多。比如，負載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)壓電路的內阻只是串聯(lián)型的33%。而電源內阻低則意味著電源有交稿的能量傳輸速率，使負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?shù)母纳坪吞岣摺２⒙?lián)型穩(wěn)壓電路有功耗大的特點，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，為了改善音質也往往采用此種穩(wěn)壓電路。

 

場效應管是電壓驅動類型的器件，有許多優(yōu)良的特性，例如負溫度系數(shù)、抗二次擊穿頻率特性好、低噪聲等。用于電源調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的高反壓雙結晶體三極管了。

 

圖1-14示出了一再改進的使用電路，恒流電路采用耐壓較高的低噪聲三極管。

 

 

相關參考電路：

 

 

a. 采用場效應管的穩(wěn)壓電源

b. 采用TL431的穩(wěn)壓電源

 

 

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