專利名稱：面向電流的s類放大電路的制作方法
面向電流的S類放大電路—、 fe;ft艦本發(fā)明涉及模擬電子領(lǐng)域的信號(hào)放大電路，尤其是對(duì)于失真、轉(zhuǎn)換速率和頻率響應(yīng)要求極高的音頻功 率放大電路。二、背暈技術(shù)1947年12月，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、巴丁、布拉頓三人發(fā)明了晶體管。與電子管相比，晶體管 有許多優(yōu)點(diǎn)體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，耗能低，制造工藝簡(jiǎn)單，使用時(shí)不需預(yù)熱。晶體管漸漸在大 多數(shù)領(lǐng)域取代了電子管，但是仍然都無(wú)法完全取代電子管，特別是在Hi-Fi (High-Fidelity:高保真) 音響領(lǐng)域和專業(yè)音頻處理領(lǐng)域。晶體管制作的放大器雖然指標(biāo)更高，卻因?yàn)槠娲螀f(xié)波失真太多，聽(tīng)感 不佳。反而電子管音頻放大器至今還依然擁有大量的發(fā)燒友。實(shí)際上在晶體管發(fā)明以前，就已經(jīng)確定了放大電路的基本思路，晶體管出現(xiàn)之后，雖然放大電路經(jīng)歷 了很多的發(fā)展，有很多晶體管的放電電路出現(xiàn)，但是放大電路的根本思路仍然沒(méi)有變化，依然沿用了 電子管時(shí)代的的面向電壓的放大思想、說(shuō)到底電子管是一個(gè)電壓輸入電流輸出的電子器件，電子管的輸出電流和輸入電壓成比例的線性關(guān) 系。而晶體管則是電流輸入電流輸出的電子器件，輸出電流和輸入電壓并不是線性的關(guān)系，而是呈對(duì) 數(shù)關(guān)系。因此依然沿用電子管的電壓輸入電流輸出的放大電路思想來(lái)設(shè)計(jì)晶體管功放，不可避免會(huì)引 入很多非線性失真。因?yàn)檩斎胄盘?hào)是電壓的關(guān)系，輸入電壓的某些取值范圍會(huì)造成三極管閉合，而三 極管重新打開(kāi)過(guò)程的時(shí)延降低了整個(gè)放大電路的轉(zhuǎn)換速率，并引入了新的開(kāi)關(guān)失真。還因?yàn)椴捎秒妷?負(fù)反饋，過(guò)慢的轉(zhuǎn)換速率使得反饋電壓滯后于輸入電壓而進(jìn)--步加大了失真。電壓輸出的情況還會(huì)在 遇到非線性的負(fù)載時(shí)會(huì)被負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)所千擾，引起動(dòng)態(tài)失真。自從晶體管出現(xiàn)以來(lái)，將近60年的時(shí)間里，人們--直沿用電子管的電壓放大理論，沒(méi)有真正成熟的 適用于晶體管電路的放大思想出現(xiàn)。難怪晶體管在音頻放大領(lǐng)域走的這么艱難，晶體管還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā) 揮出它應(yīng)有的水平。目前現(xiàn)有標(biāo)稱電流放大的電路，有兩種， 一種是在傳統(tǒng)放大電路的基礎(chǔ)上修改部分電路為電流激勵(lì)， 但是整體還是以電壓放大為核心，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有解決電壓放大的種種問(wèn)題。另一種是使用鏡流源的引申出 的具有放大比例的鏡流電路，這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要的元件數(shù)量多，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都很麻煩，因此很 少被使用。耍設(shè)計(jì)真正面向電流的放大電路存在一些尚未解決的技術(shù)難題1. 因?yàn)檩斎胄盘?hào)為電壓，因此需要一個(gè)非常優(yōu)秀的壓變電流單元將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)， 而設(shè)計(jì)一個(gè)低失真高速的壓變電流單元本身就是一個(gè)難題。2. 電流放大電路偏置電流也是一個(gè)設(shè)計(jì)上的難題。各放大級(jí)采用電流直接偶合的情況下，偏置電流 每經(jīng)過(guò)一級(jí)晶體管就會(huì)增加IOO倍左右，制作一個(gè)可用的放大電路的偏置電流往往會(huì)達(dá)到兒A甚 至兒十A,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正?？沙惺艿姆秶?。3. 目前的電流放大電路都只能放大電流，而無(wú)法同時(shí)放大電壓，而功率輸出要求的恰恰是電流和電 壓同時(shí)放大的結(jié)果。
三、發(fā)明內(nèi)容為了設(shè)計(jì)一種真正適用于晶體管的成熟的面向電流的放大思想，我克服曾經(jīng)學(xué)過(guò)知識(shí)的桎梏，從最根 本的三極管電流特性入手，本著簡(jiǎn)沾至上的精神，經(jīng)過(guò)了近一年業(yè)余時(shí)間的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了一 套面向電流的放大理論，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明切實(shí)可行。首先晶體管三極管是一個(gè)電流輸入電流輸出的器件，在物理模型上可以近似的看作一個(gè)放大比例為P 的電流控制型電流源(CCCS)，簡(jiǎn)稱流控電流源。我先以流控電流源說(shuō)明我的放大屯路的思想。虛擬負(fù)載背景技術(shù)中已經(jīng)提到，目前電流放大未解決的輸入的壓流轉(zhuǎn)換，偏置電流，和電壓放大等問(wèn)題。為了解決這些難題，我引入了自己BM的"虛擬負(fù)載"的概念。"虛擬負(fù)載"是一個(gè)純電阻特性的器件(實(shí) 際電路中采用沒(méi)有電感的精密電阻)，使得輸入信號(hào)完全加在虛擬負(fù)載上，由此產(chǎn)生的電流將被采樣 作為輸入電流信號(hào)。經(jīng)過(guò)采樣的輸入電流信號(hào)送入流控電流源中進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)流控電流源放大之后 的大電流信號(hào)直接作為輸出電流加 f負(fù)載之上，由輸出電流在負(fù)載上產(chǎn)生的壓降來(lái)完成電壓放大。見(jiàn) 圖i。最后的放大電路的電壓放大倍數(shù)是公式--:電m大倍數(shù)=負(fù)載電阻x電流放大倍數(shù)p +虛擬負(fù)載電阻這種電流輸出方式適合負(fù)載為純電阻，特別是負(fù)載理想中為純電阻的情況。因?yàn)楹芏嗬硐胫袨榧冸娮?的負(fù)載實(shí)際卻有著電感存在，傳統(tǒng)的電壓輸出的情況在放大電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載的時(shí)候會(huì)遇到負(fù)載自身電感 產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)阻抗，降低輸出功率，造成動(dòng)態(tài)失真。而本發(fā)明的電流輸出模式則可以完全解決這個(gè) 問(wèn)題，因?yàn)檩敵鲭娐钒沿?fù)載當(dāng)作--個(gè)純電阻的虛擬負(fù)載來(lái)驅(qū)動(dòng)，輸出的不再是電壓而是電流，負(fù)載上 的任何反電動(dòng)勢(shì)無(wú)法對(duì)輸出電流產(chǎn)生任何影響。對(duì)于非純電阻的負(fù)載，或者是耍求輸出結(jié)果為電壓量的情況"F，可以增加一個(gè)反饋電阻，從放大電路的輸出連接至虛擬負(fù)載電阻的輸入。通過(guò)引入輸出電壓量的反饋，實(shí)現(xiàn)電壓輸出的功能。見(jiàn)圖2。這種情況下的電壓放大倍是公式二電壓放大倍數(shù)=反饋電阻x輸入電壓+虛擬負(fù)載屯阻虎-^必游敏屈及乂譜炎攻虔艱房力j ^公式一游翁菜之銀.當(dāng)公乂二游資龍教效:r公乂一游皮義'保 教^f餘必汰欲使卿裙翁忠，攻義微不微銜公f 。壓流轉(zhuǎn)換理想狀況下流控電流源的輸入電流部分是沒(méi)有壓降的，但實(shí)際當(dāng)中遠(yuǎn)非這樣，因此在壓流轉(zhuǎn)換部分我采用了局部電壓負(fù)反饋，反餓虛擬負(fù)載上的電壓量來(lái)確保IR流轉(zhuǎn)換的絕對(duì)線性，并使用運(yùn)算放大器來(lái) 完成反饋運(yùn)算，見(jiàn)圖3。反饋的結(jié)果是虛擬負(fù)載上的電壓等于輸入的信號(hào)的電J^因?yàn)榱魅脒\(yùn)放負(fù)極 的電流可以近似看成o,因此流過(guò)流控電流源輸入部分的電流等f(wàn)虛擬負(fù)載上流過(guò)的電流，因此壓流 轉(zhuǎn)換函數(shù)是采樣電流=虛擬負(fù)載上的電壓+虛擬負(fù)載電阻 =輸入屯壓+虛擬負(fù)載電阻壓流轉(zhuǎn)換部分既然采用了運(yùn)算放大器完成負(fù)反饋，還可以利用運(yùn)算放大器完成一部分的信號(hào)放大r.作，見(jiàn)圖4。在壓流轉(zhuǎn)換級(jí)引入放大運(yùn)算之后的轉(zhuǎn)換函數(shù)是采樣電流=虛擬負(fù)載上的電壓+虛擬負(fù)載電阻=輸入電壓X (反饋電阻+對(duì)地電阻+1 ) +虛擬負(fù)載電阻.
流控電流源的fi體管實(shí)現(xiàn)流控電流源是一個(gè)四端的元件，而晶體三極管只有三個(gè)管腳， 一個(gè)品體三極管不足以實(shí)現(xiàn)流控電流源 的電流采樣和電流放大兩部分工作，因此電流采樣部分和電流放大部分需要兩個(gè)晶體三極管分別實(shí) 現(xiàn)，見(jiàn)圖5。流過(guò)虛擬電阻的電流近似等子電流采樣關(guān)的集電極電流，電流采樣管的集電極電流就是 電流放大管的基極電流，放大管的集電極電流是電流放大管基極電流的P倍，因此放大管輸出的集電 極電流等于P倍的虛擬負(fù)載上流過(guò)的電流。對(duì)于電壓輸山的情況，同樣可以引入反饋電阻而改電流輸出為電壓輸出，見(jiàn)圖6。 不+關(guān)睡觸船ffi激勵(lì)上面提到的流控電流源的電流采樣部分使甩了類似共射放大的形式，只是取的輸出量不同。但是這種 電路依然有以往電壓放大電路的種種弊端，輸入電壓在0~0.6付的范圍內(nèi)會(huì)引起三極管閉合，降低 了放大電路的轉(zhuǎn)換速度，還引入開(kāi)關(guān)失貧.。在這里，我根據(jù)晶體三極管在集電極反壓偏置情況下仍然有電流的特性，SM了集電極反壓激勵(lì)電路，見(jiàn)閣7。這里其實(shí)是利用了基極一集電極電壓VBc和集電極電流lc的特性。Vbc—Ic特性非常有意思， 我沒(méi)有在任何廠家的晶體管手冊(cè)中看到有講過(guò)這個(gè)特性曲線，也從來(lái)沒(méi)有任何電路中用到這個(gè)特性。 恰恰我在試驗(yàn)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)這個(gè)特性奇特的地方，那就是當(dāng)Vbc等于甚至小于0付的時(shí)候，仍然保持著集電極電流，并且一直可以到Vm:小于等于-0.9付(根據(jù)不同型號(hào)三極管略有不同)時(shí)集電極電流才會(huì)有大幅度的減少，但仍然會(huì)保持很小涓流。這是因?yàn)橹凰E結(jié)保持暢通，發(fā)射極不斷有電荷流到基 極，那么就一定會(huì)在集電極聚集很多電荷，而這些電荷會(huì)成為高電勢(shì)并形成電流。一但有電壓信號(hào)過(guò)來(lái)，VRC升高之前聚集起來(lái)的電荷立刻形成電流，因此這個(gè)電路的轉(zhuǎn)換速率非常快。在電流采樣三極管 前邊加入一級(jí)集電極反壓激勵(lì)，可以保證電流采樣三極管處于高速導(dǎo)通的狀態(tài)。三極管放大倍數(shù)P值變化的問(wèn)題因?yàn)槿龢O管的放大倍數(shù)隨著集電極電流大小也有變化，因此在負(fù)載耍求必須電流驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，為了保 證絕對(duì)的線性放大電流輸出，還可以采附在輸出級(jí)反餓電流信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)精確控制的電流輸出，見(jiàn)圖 8 完整的正半波放大電路解決了上面的各個(gè)難題，我們就得到了完整的正半波放大電路如圖9。以上是以輸入信號(hào)的正半周來(lái)講述S類放大電路的思想和原理，耍放大正負(fù)信號(hào)，可以采用平衡推挽 的結(jié)構(gòu)，晶體三極管和部分其他零件個(gè)數(shù)加倍。在正半周放大中一共使用了一個(gè)運(yùn)算放大器，三個(gè)晶 體三極管，和6個(gè)電阻即完成了 iE半波的放大電路。電路形式簡(jiǎn)潔，實(shí)際的元件數(shù)目非常少。本發(fā)明的有益效果是低失真，高電壓轉(zhuǎn)換速率，頻率響應(yīng)寬，支持直流放大。對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力強(qiáng)，可以完成無(wú)反饋電流 輸出，電壓反饋電壓輸出和電流反餓電流輸出。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單利于小型化。本放大電路安全性很高，因?yàn)?核心采用電流輸出，當(dāng)輸出短路的時(shí)候電路仍然可以正常工作。采用集電極的輸出部分，當(dāng)因?yàn)闇囟?過(guò)高BE結(jié)擊穿時(shí)，只會(huì)造成沒(méi)有輸出信號(hào)，而不會(huì)有直流輸出燒毀負(fù)載。 本發(fā)明開(kāi)創(chuàng)了面向電流的晶體管放大電路的新方向。四

圖1 (虛擬負(fù)載概念，電流輸出模式)-
圉2 (虛擬負(fù)載概念，電壓輸出模式)圖3 (壓流轉(zhuǎn)換反餓原理)圖4 (帶放大的壓流轉(zhuǎn)換反饋原理)圖5 (流控電流源的晶體管實(shí)現(xiàn))租6 (流控電流源電壓輸出的晶體管實(shí)現(xiàn))圖7 (集電極反壓激勵(lì)原理)圖8 (電流負(fù)反饋電流輸出)圖9 (完整的正半波放大部分)五具體實(shí)施方式
制作電路板烊接元件，接入經(jīng)過(guò)整流濾波的S流電源，運(yùn)算放大器使用15V供電，集電極反壓激勵(lì)可 以也使用15V供電，輸出三極管，根據(jù)實(shí)際輸出的功率耍求選擇不同的供電電壓，100W可以選擇30V 供電，200付可以選擇40V供龜，300V可以選擇50V供電。接通電源之后從運(yùn)放的正輸入級(jí)輸入信號(hào)， 既可得到放大的信號(hào)輸出。
權(quán)利要求
1.一種面向電流的放大電路，完成輸入信號(hào)的功率放大、電壓放大或電流放大。其特征是采用面向電流的設(shè)計(jì)思想，引入虛擬負(fù)載的概念，通過(guò)輸入信號(hào)在虛擬負(fù)載上形成的電流完成輸入信號(hào)的采樣，并將此采樣電流放大后的電流直接加在負(fù)載上完成放大信號(hào)的輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利耍求1所述的放大電路，其特征是在電壓電流轉(zhuǎn)換和電流采樣電路中利用三極管的BC結(jié) 電壓和集電極電流的特性實(shí)現(xiàn)集電極反壓輸出來(lái)激勵(lì)另一個(gè)三極管的基極，實(shí)現(xiàn)高速無(wú)關(guān)閉的壓流轉(zhuǎn) 換電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大電路，其特征是在電壓電流轉(zhuǎn)換和電流采樣電路中利用運(yùn)算放大器以及取值于虛擬負(fù)載電壓而非運(yùn)放輸出電壓的特殊反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行反饋運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)精確的電壓電流轉(zhuǎn)換 和電M樣。
全文摘要
面向電流的S類放大電路。從面向電流的角度出發(fā)，采用“虛擬負(fù)載”、“集電極反壓激勵(lì)”和“特殊反饋網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)，克服了傳統(tǒng)A類、B類和AB類放大電路的種種弊端，可以實(shí)現(xiàn)電壓放大，電流放大和功率輸出的功能。失真小，速度快，帶寬高，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)，安全性高，不怕輸出短路，不會(huì)燒毀負(fù)載。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于小型化。
文檔編號(hào)H03F1/42GK101127508SQ200610109698
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2006年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月18日
發(fā)明者泉 宋 申請(qǐng)人:泉 宋