專利名稱：動(dòng)態(tài)平衡甲類音頻功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及高保真音頻功率放大器領(lǐng)域，具體地說是一種動(dòng)態(tài)平衡甲類音頻
功率放大器。
背景技術(shù)：
經(jīng)典的音頻功率放大器按輸出級靜態(tài)偏置電流狀態(tài)的不同可分為甲類、甲乙類、 乙類等幾種；按電路結(jié)構(gòu)可分為單端、推挽、平衡(橋式)等幾種，其中，平衡甲類音頻功率 放大器的聲音性能最好。 它的工作特點(diǎn)分析如下在輸出級無線性失真的理想情況下，輸入的同相信號(hào)及 反相信號(hào)的電壓和電流大小相等而相位相反，流過電橋兩臂的電流也是大小相等而相位相 反，即流過電橋兩臂的電流之和不變，這時(shí)電源供給輸出級的電流也不變，即電源供給輸出 級的電流不隨輸入信號(hào)的有無、大小和頻率的高低而變化。 因電源電流恒定無音頻信號(hào)通過，電源只需要有直流輸出，此時(shí)音頻電流可看作 沒有通過電源，這樣，電源的動(dòng)態(tài)特性不是影響音質(zhì)的因素。因而平衡甲類音頻功率放大器 是一種理想的電路程式。 以上是在理想情況下的分析結(jié)果，即輸出級無線性失真的情況下得出的結(jié)論，但 是在實(shí)際情況下，電流輸出級的線性失真總是存在，其產(chǎn)生的原因有以下幾種 a.推挽輸出級互補(bǔ)管的配對參數(shù)誤差，如輸入特性的非線性、互補(bǔ)管的互補(bǔ)特性、 多管并聯(lián)時(shí)各管參數(shù)的散差； b.靜態(tài)偏置電流變化引起的互補(bǔ)配對參數(shù)變化； c.溫度變化對輸入特性、互補(bǔ)配對參數(shù)、并聯(lián)功率管各管工作點(diǎn)的影響。 偏離理想情況的大小隨以上幾條原因的變大而趨于惡化，在多管并聯(lián)時(shí)更趨于嚴(yán) 重。a可由管子參數(shù)的精確配對在單一情況下接近理想情況，但將使成本大大增加，技術(shù)實(shí) 現(xiàn)難度很大；對b、 c兩條采取參數(shù)配對的方法無法解決。 由以上分析可知，由于電流輸出級線性失真的存在，傳統(tǒng)的平衡甲類功率放大器 無法做到在有音頻電流的動(dòng)態(tài)情況下保持精確的平衡，而始終有音頻電流通過電源，實(shí)際 的電源內(nèi)阻不為零，且在整個(gè)音頻范圍內(nèi)不平坦，對音頻的阻抗變化很大，電源的動(dòng)態(tài)特性 如濾波電容、整流管速率、變壓器內(nèi)阻等電源特性對音質(zhì)都有影響，因而其音質(zhì)總受到電源 特性的影響而無法進(jìn)一步的提高。 電流輸出級線性失真主要是因?yàn)閯?dòng)態(tài)時(shí)輸出級的靜態(tài)電流發(fā)生變化而引起的，下 面對靜態(tài)電流變化的原因進(jìn)行分析。傳統(tǒng)的甲類平衡功放輸出級簡化電原理圖見圖1，下面 以一邊橋臂電路的工作過程進(jìn)行分析。圖1中輸出級的Tl、 T2可由雙極型晶體管構(gòu)成，也 可由場效應(yīng)管構(gòu)成，其原理相同。 設(shè)靜態(tài)偏置電壓Up，傳統(tǒng)功放的UP為恒壓源 靜態(tài)偏置電流I 射極電阻R1二R2二R[0015] 負(fù)載電流^ 在輸入信號(hào)正半周，負(fù)載電流為L時(shí) II = I+IL/2 12 = HL/2 UP = Ubel+Ube2+I1*RI+I2*R2= Ubel+Ube2+ (I+IL/2) *R1+ (HL/2) *R2 UP = Ubel+Ube2+2I*R+IL/2*RHL/2*R2 UP由三部分構(gòu)成 Ubel+Ube2——NPN、PNP互補(bǔ)管be結(jié)的壓降，隨輸出電流的大小變化，并與靜態(tài) 偏置電流I的大小有關(guān)； 2I*R——靜態(tài)偏置電流I在射極電阻R上的靜態(tài)壓降； iy2*Rl-I^2*R2——負(fù)載電流^在射極電阻R上的動(dòng)態(tài)壓降，因相互抵消為零， 所以負(fù)載電流L不影響回路電壓。 在理想情況下，互補(bǔ)管be結(jié)的壓降應(yīng)互補(bǔ)，即Ubel的增加量等于Ube2的減少量， 或Ubel的減少量等于Ube2的增加量，應(yīng)相互抵消。當(dāng)Ubel、Ube2完全互補(bǔ)時(shí)，Ubel+Ube2 項(xiàng)不變，2WR項(xiàng)也不變。 由于Tl、T2特性的誤差及Ubel、Ube2存在的非線性，實(shí)際總存在互補(bǔ)誤差。動(dòng)態(tài) 時(shí)Ubel的增加量與Ube2的減少量不相等，使Ubel+Ube2隨電流的大小變化，由于UP為恒 壓源不變，Ubel+Ube2項(xiàng)發(fā)生變化，按回路電壓法則，由上式可知，Ubel+Ube2的變化量只能 由2WR項(xiàng)中的靜態(tài)偏置電流I的變化給予補(bǔ)充，即靜態(tài)偏置電流I發(fā)生變化。 由以上分析可知，由于互補(bǔ)管配對誤差及Ubel、 Ube2非線性的存在，動(dòng)態(tài)時(shí)將引 起靜態(tài)偏置電流的變化，變化的大小隨互補(bǔ)管配對誤差的增加而加大。動(dòng)態(tài)時(shí)電源電流包 含負(fù)載電流和變化的靜態(tài)偏置電流兩種成份。在有輸入信號(hào)時(shí)，輸出級靜態(tài)電流發(fā)生變化。 當(dāng)使用平衡輸出級時(shí)，由于電橋兩臂的靜態(tài)偏置電流變化的隨機(jī)性而不能相互抵消，所以 電源總電流中始終存在隨輸入信號(hào)而變化的電流，而無法達(dá)到理想工作狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種輸出級線性失真最小、頻響最寬的動(dòng)態(tài)平衡甲類音
頻功率放大器，可消除互補(bǔ)管配對誤差、電源特性、濾波電容性能對音質(zhì)的影響。 所述動(dòng)態(tài)平衡甲類音頻功率放大器包括甲類音頻功率放大器，它的左右相同橋臂
電路分別由互補(bǔ)誤差取樣電路、偏置電壓控制電路、輸出級功率互補(bǔ)管、正、負(fù)工作電源以
及負(fù)載組成，其特征是所述動(dòng)態(tài)平衡甲類音頻功率放大器在左右相同橋臂電路中均設(shè)置
有互補(bǔ)誤差取樣電路、偏置電壓控制電路；所述互補(bǔ)誤差取樣電路由輸出級電流取樣電阻
和互補(bǔ)誤差放大反相器組成，互補(bǔ)誤差放大反相器的輸入端分別與輸出級電流取樣電阻相
連，其輸出端與上、下可控恒流源的控制端相連；所述偏置電壓控制電路由上、下可控恒流
源、偏置電壓電阻組成，偏置電壓電阻的兩端分別與上、下可控恒流源及功率互補(bǔ)管的基極
相連，上、下可控恒流源之間通過偏置電壓電阻串聯(lián)連接，其另一端分別與正、負(fù)工作電源
相連。輸出級電流取樣電阻分別與功率互補(bǔ)管的發(fā)射極相連，其公共端與負(fù)載相連。偏置
電壓電阻的公共端與輸入音頻信號(hào)源相連，輸入音頻信號(hào)源的另一端與公共地端連接。所述功率互補(bǔ)管可由雙極型晶體管構(gòu)成，也可由場效應(yīng)管構(gòu)成，也可由兩極或多極達(dá)林頓復(fù) 合連接方式構(gòu)成。 其原理見圖2。圖中只畫出一邊橋臂的電路，另一邊橋臂的電路相同，下面以一邊 橋臂電路的工作過程進(jìn)行分析。 互補(bǔ)誤差取樣電路由互補(bǔ)誤差放大反相器和輸出級電流取樣電阻構(gòu)成，對輸出級 的互補(bǔ)誤差進(jìn)行取樣、放大、反相后反饋給偏置電壓控制電路，偏置電壓控制電路由上下可 控恒流源和偏置電壓產(chǎn)生電阻構(gòu)成。經(jīng)過互補(bǔ)誤差放大反相器處理后的互補(bǔ)誤差信號(hào)控制 可控恒流源的電流大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)偏置電壓，控制輸出級的偏置電流，消除輸出級功率互補(bǔ) 管的互補(bǔ)誤差，使輸出級線性失真最小，這時(shí)，平衡輸出級動(dòng)態(tài)時(shí)的總電流趨于平衡一致， 消除了輸出級產(chǎn)生的平衡誤差。 偏置電壓控制電路工作時(shí)不能影響功放的性能，不能對音質(zhì)產(chǎn)生任何影B向。由圖2 可知，當(dāng)偏置電壓控制電路的可控恒流源電流變化時(shí)，控制偏置電壓變化，弓I起偏置電流變 化，由于上、下可控恒流源的電流始終保持相等，對電路的直流狀態(tài)如輸入零點(diǎn)、輸出零點(diǎn) 勻無影響；因可控恒流源動(dòng)態(tài)阻抗很大，對交流信號(hào)來說可看作開路，對輸入信號(hào)無分流作 用，所以偏置電壓控制電路工作時(shí)對音質(zhì)無任何影響。可見，本實(shí)用新型的偏置電壓控制電 路具有偏置電壓可動(dòng)態(tài)設(shè)定的功能，可作為超甲類(即動(dòng)態(tài)偏置甲類)的偏置控制電路應(yīng) 用。 由于互補(bǔ)管配對誤差及Ubel、 Ube2非線性的存在，動(dòng)態(tài)時(shí)引起了靜態(tài)偏置電流的 變化，為補(bǔ)償U(kuò)bel+Ube2的變化，達(dá)到不使靜態(tài)偏置電流I變化的目的，可采取對UP進(jìn)行調(diào) 節(jié)的方法，即本專利采取的方法。在Ubel+Ube2變化時(shí)，引起靜態(tài)偏置電流I變化，檢測出 I的變化量，依據(jù)I的變化量，適當(dāng)調(diào)節(jié)Up，而保持靜態(tài)偏置電流I不變。這樣，在有輸入信 號(hào)的動(dòng)態(tài)情況下，平衡輸出級電橋兩邊都輸出高線性電流，可使電橋兩臂的電流大小相等、 方向相反而相互抵消，達(dá)到精確的平衡，即本專利所稱的動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)輸出級線性失真最 小、頻響最寬，并且電源總電流不隨輸入信號(hào)而變化，達(dá)到了平衡甲類音頻功率放大器理想 的工作狀態(tài)。 本實(shí)用新型的特點(diǎn) 1)高線性電流輸出級 應(yīng)用互補(bǔ)輸出級電流線性控制技術(shù)，消除了互補(bǔ)輸出級NPN、 PNP晶體管或場效應(yīng) 管配對誤差對音質(zhì)的影響，輸出高線性音頻電流。在輸出級采用多管并聯(lián)互補(bǔ)推挽輸出時(shí)， 配對誤差對音頻電流的線性無影響，可顯著提高音質(zhì)降低成本。 2)動(dòng)態(tài)電流平衡技術(shù) 應(yīng)用平衡甲類功放互補(bǔ)輸出級動(dòng)態(tài)電流平衡技術(shù)，使動(dòng)態(tài)電流達(dá)到平衡，消除了 電源動(dòng)態(tài)特性對音質(zhì)的影響，音質(zhì)不受電源動(dòng)態(tài)性能影響、不受濾波電容性能影響，從而輸 出高線性、高速率的電流，使音質(zhì)得到極大的提升。 3)偏置電路的特點(diǎn) a.偏置電路不影響音質(zhì)，偏置控制電路工作時(shí)不影響功放的性能； b.偏置電路由純電阻構(gòu)成，沒有電容和非線性器件，性能優(yōu)于傳統(tǒng)電路； c.熱穩(wěn)定性好，由電路的反饋特性可知，偏置設(shè)定后可自動(dòng)穩(wěn)定在設(shè)定值； d.偏置電流可動(dòng)態(tài)設(shè)定，可作為超甲類(即動(dòng)態(tài)偏置甲類)偏置控制電路應(yīng)用。[0045] 因此，本實(shí)用新型從電路原理上已將影響音質(zhì)的因素消除或減至最小，在原理上 和技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了輸出級線性失真最小、動(dòng)態(tài)電流總和不變、電源特性對音質(zhì)無影響的目的， 具有失真小、頻響寬、可擴(kuò)展、成本低的特點(diǎn)，電路對聲音未加任何修飾，真實(shí)反映了輸入信 息的原本面貌，音質(zhì)與傳統(tǒng)功放相比有極大的提高。

圖1是傳統(tǒng)平衡甲類音頻功效輸出級簡化原理圖， 圖2是動(dòng)態(tài)平衡甲類音頻功率放大器原理圖， 圖3是動(dòng)態(tài)平衡甲類音頻功率放大器實(shí)施例圖。 圖中l(wèi)-音頻信號(hào)源，2、3-功率互補(bǔ)管，4、5-輸出級電流取樣電阻，6、7-正、負(fù)工 作電源，S-負(fù)載，9_互補(bǔ)誤差取樣電路，10-偏置電壓控制電路，11-互補(bǔ)誤差放大反相器，
12、 13-上、下可控恒流源，14、15_偏置電壓電阻，16-電阻，17-互補(bǔ)推挽輸出級。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。圖2中，所述的動(dòng)態(tài)平衡甲類音頻功 率放大器，包括甲類音頻功率放大器，它的左右相同橋臂電路分別由互補(bǔ)誤差取樣電路、偏 置電壓控制電路、輸出級功率互補(bǔ)管、正、負(fù)工作電源以及負(fù)載組成，其特征是所述動(dòng)態(tài)平 衡甲類音頻功率放大器在左右相同橋臂電路中均設(shè)置有互補(bǔ)誤差取樣電路9、偏置電壓控 制電路10 ;所述互補(bǔ)誤差取樣電路9由輸出級電流取樣電阻4、5和互補(bǔ)誤差放大反相器11 組成，互補(bǔ)誤差放大反相器11的輸入端分別與輸出級電流取樣電阻4、5相連，其輸出端與 上、下可控恒流源12、 13的控制端相連；所述偏置電壓控制電路10由上、下可控恒流源12、
13、 偏置電壓電阻14、15組成，偏置電壓電阻14、15的兩端分別與上、下可控恒流源12、13 及功率互補(bǔ)管2、3的基極相連，上、下可控恒流源12、13之間通過偏置電壓電阻14、15串聯(lián) 連接，其另一端分別與正、負(fù)工作電源6、7相連。輸出級電流取樣電阻4、5分別與功率互補(bǔ) 管2、3的發(fā)射極相連，其公共端與負(fù)載8相連。偏置電壓電阻14、15的公共端與輸入音頻 信號(hào)源1相連，輸入音頻信號(hào)源1的另一端與公共地端連接。所述功率互補(bǔ)管2、3可由雙 極型晶體管構(gòu)成，也可由場效應(yīng)管構(gòu)成，也可由兩級或多級達(dá)林頓復(fù)合連接方式構(gòu)成。 下面結(jié)合圖3對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。圖3中只畫出一邊橋 臂的電路，另一邊橋臂的電路相同，下面以一邊橋臂電路的工作過程進(jìn)行分析。 動(dòng)態(tài)平衡電路由兩部分構(gòu)成 互補(bǔ)誤差取樣電路9 :輸出級電流取樣電阻4、5對輸出級的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流進(jìn)行 取樣，取樣信號(hào)經(jīng)互補(bǔ)誤差放大反相器11反相和放大后輸出到偏置電壓控制電路io，互補(bǔ) 誤差放大反相器11由放大反相器T2、R3、R5和晶體管T2的基極電流設(shè)定電路Tl、 R4、 Dl、 D2、R2構(gòu)成。 偏置電壓控制電路10 :T3、T4、T5、R6、R7、R8構(gòu)成上可控恒流源12，T6、R9構(gòu)成下 可控恒流源13，在上、下可控恒流源特性一致時(shí)，其電流相等，流過偏置電壓產(chǎn)生電阻14、 15的電流也相等，流過電阻16的電流為零，電阻16上的電壓為零，即功放的信號(hào)輸入端直 流電壓為零。上、下可控恒流源在偏置電壓產(chǎn)生電阻14、15上的壓降作為偏置電壓Up，控 制上、下可控恒流源的大小即可控制輸出級電流的大小?？煽睾懔髟吹淖兓徽{(diào)節(jié)偏置電壓UP，對輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都沒有影響，可控恒流源動(dòng)態(tài)阻抗很大，對輸入信號(hào)無分流作用，對音質(zhì)無任何影響。 當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)，由于互補(bǔ)推挽輸出級17互補(bǔ)管的非線性，使輸出級靜態(tài)電流發(fā)生了變化，輸出級電流取樣電阻4、5上的電壓也產(chǎn)生了變化。此變化的電壓即為互補(bǔ)誤差電壓。當(dāng)互補(bǔ)誤差電壓變大時(shí)，經(jīng)互補(bǔ)誤差放大反相器11反相放大后控制可控恒流源下降，使輸出級電流取樣電阻4、5上的電壓保持不變，即靜態(tài)電流保持不變。當(dāng)電路為平衡(橋式)結(jié)構(gòu)時(shí)，電源總電流不隨輸入信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)了平衡甲類時(shí)的理想工作狀態(tài)。
權(quán)利要求一種動(dòng)態(tài)平衡甲類音頻功率放大器，其左右相同橋臂電路分別由互補(bǔ)誤差取樣電路，偏置電壓控制電路，輸出級功率互補(bǔ)管，正、負(fù)工作電源以及負(fù)載組成，其特征是在其左右相同橋臂電路中均設(shè)置有互補(bǔ)誤差取樣電路(9)、偏置電壓控制電路(10)，該互補(bǔ)誤差取樣電路(9)由輸出級電流取樣電阻(4、5)和互補(bǔ)誤差放大反相器(11)組成，互補(bǔ)誤差放大反相器(11)的輸入端分別與輸出級電流取樣電阻(4、5)相連，其輸出端與上、下可控恒流源(12、13)的控制端相連；所述偏置電壓控制電路(10)由上、下可控恒流源(12、13)、偏置電壓電阻(14、15)組成，偏置電壓電阻(14、15)的兩端分別與上、下可控恒流源(12、13)及功率互補(bǔ)管(2、3)的基極相連，上、下可控恒流源(12、13)之間通過偏置電壓電阻(14、15)串聯(lián)連接，其另一端分別與正、負(fù)工作電源(6、7)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述動(dòng)態(tài)平衡甲類音頻功率放大器，其特征是輸出級電流取樣電 阻(4、5)分別與功率互補(bǔ)管(2、3)的發(fā)射極相連，其公共端與負(fù)載(8)相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述動(dòng)態(tài)平衡甲類音頻功率放大器，其特征是偏置電壓電阻(14、 15)的公共端與輸入音頻信號(hào)源(1)相連，輸入音頻信號(hào)源(1)的另一端與公共地端連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述動(dòng)態(tài)平衡甲類音頻功率放大器，其特征是所述功率互補(bǔ)管(2、 3)可由雙極型晶體管構(gòu)成，也可由場效應(yīng)管構(gòu)成，也可由兩級或多級達(dá)林頓復(fù)合連接方式 構(gòu)成。
專利摘要一種動(dòng)態(tài)平衡甲類音頻功率放大器，在其左右相同橋臂電路中均設(shè)置有互補(bǔ)誤差取樣電路、偏置電壓控制電路；所述互補(bǔ)誤差取樣電路由輸出級電流取樣電阻和互補(bǔ)誤差放大反相器組成，互補(bǔ)誤差放大反相器的輸入端分別與輸出級電流取樣電阻相連，其輸出端與上、下可控恒流源的控制端相連；所述偏置電壓控制電路由上、下可控恒流源、偏置電壓電阻組成，偏置電壓電阻的兩端分別與上、下可控恒流源及功率互補(bǔ)管的基極相連，上、下可控恒流源之間通過偏置電壓電阻串聯(lián)連接，其另一端分別與正、負(fù)工作電源相連。本實(shí)用新型在原理上和技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了輸出級線性失真最小、頻響最寬、電源特性對音質(zhì)無影響的目的。其偏置電壓控制電路可作為超甲類偏置控制電路應(yīng)用。
文檔編號(hào)H03F3/20GK201467074SQ200920087739
公開日2010年5月12日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者徐雨 申請人:徐雨