CN102545802A - 功率管互补功率放大器 - Google Patents

Abstract

功率管互补功率放大器，由异极性的BJT组成或由异沟道的FET组成的单电源电路或双电源电路或桥式电路，其特征在于：主要由NPN功率晶体管与PNP功率晶体管及电容、电阻组成的互补射随器，NPN管与PNP管基极之间通过电容、电阻或电容和电阻连接起来；主要由N沟道增强型功率场效应管与P沟道增强型功率场效应管及电阻、电容组成的互补源随器，N沟道管与P沟道管栅极之间通过电阻、电容或电阻和电容连接起来。本发明的优点是电路简单，而且即使输入信号幅度达到极限，也不会发生交越失真。

Description

功率管互补功率放大器

所属技术领域

本发明属于电子技术领域，是一种功率管互补功率放大器。

背景技术

晶体管功率放大器技术经历了两个阶段的发展，第一阶段是变压器耦合功率放大器，第二阶段是无变压器功率放大器(Output Transformer Less，OTL)及无输出耦合电容功率放大器(Output Capacitor Less，OCL)，即互补射随器。由于变压器笨重、低频性能差及难以集成化，目前变压器耦合放大器已经基本让位于OTL电路及OCL电路。

要求输入信号同时加到OTL电路或OCL电路两功率管的基极或栅极。如果互补射随器的两个功率管的基极接在一起，虽然有利于输入信号同时加到两功率管的基极，但是管子无偏置电流，在信号过零前后数值很小时受发射结死区电压影响，功率晶体管不能及时开启，使输出电压波形在零点附近为零，发生平坦交越失真。

现有OTL及OCL技术对于平坦交越失真的处理办法大致有下列两种：

第一种方法是与功率管发射结并联平衡二极管。

通常用两只二极管串联与两只功率管发射结并联，据说是以二极管流过电流时产生的正向压降与功率三极管发射结正向压降相平衡，以给后者发射结提供偏压，使其在无信号时即轻微导通，总导通角稍大于180°，形成所谓甲乙类功率放大器，消除交越失真。

实际上二极管及三极管发射结pn结正向压降离散很厉害，很难匹配，平衡效果很差。如硅pn结正向压降名义值0.7V，实际测量一批硅二极管或三极管发射结可发现，即便同一批管子的pn结正向压降也会低达0.5V，高达0.8V。

通常给二极管串联一只电位器进行调整。但是这种调整顾此失彼，调整难度大、效果差。如信号幅度1V时，往往交越失真刚刚消除，却又出现非线性失真。若信号稍强，则又发生单边削波失真。若信号幅度更大，则莫名其妙的失真更多。阻值小了无效果，阻值大了又影响信号耦合及功率放大倍数。

还有人干脆只用一只二极管串联电阻进行平衡。一只二极管只有一个pn结，一个pn结如何与两个pn结平衡呢？两只二极管能平衡，一只二极管也能平衡，从一个侧面说明二极管平衡做法根本缺乏理论基础。

二极管平衡效果不好的直接反映是制造、调试、使用或维修时容易烧毁功率管或扬声器等负载。于是认为平衡效果不好是功率管烧毁的原因，又广泛流行在互补功率管发射极或源极串联两只大约0.1Ω~1Ω的电阻来保护功率管。实际上，阻值如此之低的电阻对功率管根本起不到任何保护作用，却又因为流过较大电流而明显影响放大器功率增益及效率。

总之，与功率三极管并联二极管的充分性并不存在。

三极管是否能得到偏置，关键是有无直流电源经过限流电阻加在其发射结上，而不是与其发射结并联什么元器件。与三极管发射结并联二极管，非但不能为三极管提供偏置电流，反而与其争夺偏置电流。与功率三极管并联二极管的必要性也不存在。

与功率三极管并联二极管的充分性及必要性都不存在，目前与互补射随器的功率三极管并联二极管的做法是不合适的。实际上目前与互补射随器中的功率三极管并联二极管的观点纸上说得多、实际做得少，个中原因就在于此。

第二种方法是把并联二极管改为并联三极管。与两只功率三极管的发射结并联一只三极管，所并联的三极管依然不是为功率三极管提供基极偏置电流，而是与其争夺基极偏置电流。故与功率三极管发射结并联三极管的必要性也不存在。三极管集-射压降属于派生参数，根本不可能与功率三极管的发射结压降平衡，并联三极管根本不能给功率三极管提供偏压。因此与功率三极管发射结并联三极管的充分性也不存在。

与功率三极管发射结并联三极管(平衡三极管)的必要性及充分性都不存在，而且换上的三极管还要增加分压偏置电阻等，结果无谓地使功放电路更加复杂。

并联好似堆砌。实际上二极管堆砌效果很差，三极管堆砌效果也不好。于是又流行给平衡三极管并联一只电容。虽然实际上电容完全可以取代平衡三极管，但是由于传统观念影响的根深蒂固，没有人敢贸然去掉平衡三极管。结果使电路愈发庞大、问题愈加复杂、制造、调整及维修工作愈加难做。很多烧友制作功放时就是简单地照图纸组装，遇到问题往往一筹莫展，烧毁功率管或烧毁扬声器的事情屡见不鲜。

并联二极管或并联三极管只是与功率三极管争夺一部分基极偏置电流，但并没有把所有偏置电流都完全抢过去，即没有彻底破坏偏置，而且并联二极管能直接为功率三极管基极信号提供一个通道，并联三极管利用旁路分流原理为信号提供通道，就是说并联二极管或并联三极管并非完全错误，使得与互补功率管发射结并联二极管的观点和并联三极管的做法能够在一定的历史时期内占据正统地位。

很多人都逐步认识到，晶体管发射结偏置电压与基极偏置电流比较起来，重要的是基极偏置电流。无论在单管BJT放大器还是在互补的双管BJT放大器中，BJT晶体管发射结偏置电压都是次要的，而基极偏置电流才是主要的，而最关键的是集电极偏置电流。无论在单管FET放大器还是在双管互补FET放大器中，FET晶体管栅—源偏置电压都是次要的，而漏极偏置电流才是关键的。电压与电流比较起来，OTL电路及OCL电路中偏置电流及电流放大显得尤为重要。目前理论不是把电流作为重点，而是把无关紧要的发射结偏置电压作为重点，是发生失误的主要原因。

用工作点的术语讲，集电极偏置电流及集电极—发射极偏置电压属于工作点的内涵，基极偏置电流只是工作点的外延。由于pn结输入特性的离散性，发射结电压与基极电流的相关性很差，因此发射结偏置电压就连工作点的外延也很难算上。把连外延也算不上的发射结偏置电压作为重点来对待，忽视了本来是重点的基极偏置电流及最关键的集电极偏置电流，是目前电子学理论的欠缺所在，而基础理论的欠缺必然造成电路设计的失误。

发明内容

本发明的目的是去掉冗余元器件，彻底解决现有互补功放存在的平衡二极管多余、平衡三极管低效、电路复杂、调整困难、效果不好等问题，达到容易调整、改善性能等目的。

本发明的技术方案：

功率管互补功率放大器，由异极性BJT组成或由异沟道FET组成的单电源电路或双电源电路或桥式电路，其特征在于：主要由NPN功率晶体管与PNP功率晶体管及电容、电阻组成的互补射随器，NPN管与PNP管基极之间通过电容、电阻或电容和电阻连接起来；主要由N沟道增强型功率场效应管与P沟道增强型功率场效应管及电阻、电容组成的互补源随器，N沟道管与P沟道管栅极之间通过电阻、电容或电阻和电容连接起来。

所述的功率管可以是普通晶体管，也可以是复合晶体管。

所述的功率管基极之间接有电阻的互补射随器还可进行直流信号功率放大；栅极之间接有电阻的互补源随器还可进行直流信号功率放大。

进一步地可以是：

对称输入互补射随器的两功率管的基极之间由两串联电容连接，信号电压自两电容的中点接入。

偏输入互补源随器的两功率管的基极之间通过一个电容连接，信号电压可以首先输入到任意一个功率管的基极，再经该电容耦合到另外一个功率管的基极。

电阻耦合互补射随器的两功率管的基极之间由两串联的电阻或一个电位器连接，信号电压自两电阻或电位器的中点接入。

对称输入互补源随射器的两电阻串联、两电容串联后再并联，共同接在两功率管的栅极之间，电压信号自两电容的中点接入。

对称输入互补源随器的两串联电阻与两串联电容的中点可以不连接，也可以连接在一起。

偏输入互补源随器的两功率管的栅极之间通过并联的电阻电容连接，信号电压可以先输入到任意一个功率管的栅极，再经该电容耦合到另外一个功率管的栅极。

对称输入桥式互补源随器两功率管的栅极之间串接两个电容，电压信号自两个电容的中点接入。

偏输入桥式互补源随器两功率管的栅极之间串接一个电容，电压信号输入到任意一个功率管的基极，再经电容耦合到另一个功率管的基极。

所述的功率管互补功率放大器可以是分立元件，也可以是集成电路。

发明原理：

互补功放的技术关键一是如何给功率三极管提供偏置，二是如何把信号同时加到两个功率管的基极或栅极。首先以互补射随器为例说明设计原理。

将偏置电阻加在直流电源与功率三极管基极之间，就能给功率三极管提供偏置电流。发射结偏置电压大小并不直接影响功放工作效果。

众所周知，与电阻并联电容不影响直流稳态。pn结虽说是一种非线性电阻，但与pn结并联电容也不影响其直流稳态。

备置两只耦合电容，一只接到NPN功率管的基极，另一只接到PNP功率管的基极，就能把信号同时加到两只互补功率管的基极。这实际等效于在两个互补功率管的基极之间并联接入两个串联电容，信号自两个串联电容的中点输入，能使输出电压的正负半波获得完全相同的频率特性。

将偏置电阻接在互补射随器的电源与功率管的基极之间，电容接在两个互补功率管的基极之间。并联电容既不影响偏置，又能在互补功率管的两个基极或栅极之间传递交流信号。把交流信号加在任意一个功率管的基极上，就等于同时把交流信号加在另一个互补功率管的基极上。输出电压的中高频特性不受耦合电容影响，正负半波基本相同。只要接在两个互补功率管的基极之间的电容足够大，就可以使输出电压的正负半波获得近似相同的低频特性。

将两只电阻或一只电位器接在两个互补功率三极管的基极之间，信号加在两只电阻的中点或电位器的中点，就能给功率三极管提供直流信号通道，将信号同时加在两个互补功率管的基极上，进行直流功率放大。为此将接在两个互补功率三极管的基极之间的两只电阻或电位器称为信号传递电阻。调整信号传递电阻与偏置电阻的比例，就能改变功率管偏置电流。

将两只相同的偏置电阻各自接在正电源与N沟道增强型功率场效应管的栅极及P沟道管的栅极与地之间，或者各自接在正电源与N沟道管栅极之间及P沟道管栅极与负电源之间，一只电位器接在N沟道管与P沟道管的栅极之间，就形成偏置电路。改变电位器阻值，就能同时调整两只场效应管的栅—漏偏置电压及漏极偏置电流。

信号加在电位器的中点，就能给功率场效应管提供直流信号通道，同时将信号加在两个互补功率管的栅极上，可进行直流功率放大，也可进行交流功率放大。

所以改称功率管互补功率放大器，而不再称为甲乙类功放，是因为它已经不限于甲乙类，适当同步减小两个基极/栅极偏置电阻，就可以升级为甲类功率放大器。而且这种功能变换或扩展可以由用户自己进行。平时可以调为甲乙类以节省电能，喜庆节日可以调为甲类以渲染气氛。

电容耦合方式、互补射随器及互补源随器均业已为大众知晓。信号放大器设计计算原理及过程参见元增民主编《模拟电子技术》(中国电力出版社，2009)。

本发明的创造性在于去掉无用而有害的平衡二极管及低效的平衡三极管，把电容耦合、电阻耦合、互补射随器及互补源随器等几种典型技术有机融合在一起，从而消除传统甲乙类功放的先天性弊病，达到简化电路、降低制造调整难度、降低成本、方便使用、节省功耗、改善音响品质等效果。

附图说明

图1所示为本发明的单电源对称输入电容耦合互补射随器功放电路。

图2所示为双电源对称输入电容耦合互补射随器功放电路。

图3所示为单电源电容耦合互补射随器功放偏输入电路。

图4 所示为双电源电容耦合互补射随器功放偏输入电路。

图5所示为单电源电阻耦合互补射随器功放电路。

图6所示为双电源电阻耦合互补射随器功放电路。

图7所示为单电源电容耦合互补源随器功放电路。

图8所示为双电源电容耦合互补源随器功放电路。

图9所示为另一种单电源电容耦合互补源随器功放电路。

图10所示为另一种双电源电容耦合互补源随器功放电路。

图11所示为单电源电容耦合互补源随器偏输入功放电路。

图12所示为双电源电容耦合互补源随器偏输入功放电路。

图13所示为电容耦合互补源随器BTL桥式功放电路。

图14所示为偏输入电容耦合互补源随器BTL桥式功放电路。

图15所示为一种信号放大器与新型功放结合在一起的音频放大电路实施例。

图16所示为另一种信号放大器与新型功放结合在一起的音频放大电路实施例。

图17所示为OP信号放大器与新型功放结合的实施例。

图18所示为OP信号放大器与新型BTL功放结合的实施例。

具体实施方式

下面根据附图和实施例进一步说明发明的内容。

图1所示功放电路电容C₁、C₂与两只互补功率管的发射结并联，既将交流信号分别耦合到两只互补功率管的基极，又不影响功率管直流偏置。直流电源U_cc通过偏置电阻R_b1、R_b2给两只互补功率管提供基极偏置电流及集电极偏置电流。输出电压经电容C₃加到负载R_L上。偏置电阻R_b1、R_b2采用正温度系数电阻并尽可能靠近功率管，可防止温度上升时集电极偏置电流明显增加而烧毁功率管。偏置电阻R_b1、R_b2的整定就是简单同步调整。可以根据音量大小等要求计算需要若干并联电阻，设计成一定方式如波段开关式或琴键开关式，在不同位置投切不同的电阻，实现不同的效果。平时投切高阻值偏置电阻，节省电能，节庆日投切低阻值偏置电阻，渲染气氛。

图2所示功放电路与图1相比，除多了负电源U_ee，少了电容C₃，其他与图1相同。

图3所示单电源电容耦合互补射随器功放偏输入电路中，电容C₂与两只互补功率管发射结并联。直流电源U_cc通过偏置电阻R_b1、R_b2给两只互补功率管提供基极偏置电流。信号电压经电容C₁加到NPN功率管的基极，同时又通过C₂耦合到PNP功率管的基极。输出电压经电容C₃加到负载R_L上。

图4 所示为双电源电容耦合互补射随器功放偏输入电路。与图3相比，图4除多了负电源U_ee，少了输出耦合电容C₃，其他相同。

图5所示单电源电阻耦合互补射随器功放电路直流电源U_cc通过偏置电阻R_b1、R_b2给两只互补功率管提供基极偏置电流。电阻R_b3与互补功率管的发射结并联。信号电压经输入耦合电容C₁及电阻R_b3的中点加到NPN功率管的基极及PNP功率管的基极。输出电压经电容C₃加到负载R_L上。去掉电容C₁及电容C₃，还可用于对直流信号进行功率放大。

图6所示双电源电阻耦合互补射随器功放电路可用于对双极性直流信号进行功率放大。

图7所示单电源电容耦合互补源随器功放电路中，直流电源U_cc通过分压偏置电阻R_g1、R_g2、R_g3给两只互补功率管提供栅极偏置电压及漏极偏置电流。电容C₁、C₂与R_g3及两只互补功率管的栅-源极并联，将信号分别耦合到N沟道功率管栅极和P沟道功率管栅极。输出电压经电容C₃加到负载R_L上。R_g1、R_g2采用正温度系数、R_g3采用负温度系数、并且在结构上尽可能靠近功率管，可防止温度上升时漏极偏置电流明显增加而烧毁功率管。

图8所示双电源电容耦合互补源随器功放电路与图7相比，除多了负电源U_ss，少了输出耦合电容C₃，其他相同。

图9所示另一种单电源电容耦合互补源随器功放电路与图7相比，除多了输入耦合电容C₃，并将R_g3拆分为两个电阻并将这两个电阻中点与两电容的中点连接以外，其他相同。

图10所示另一种双电源电容耦合互补源随器功放电路与图9相比，除多了负电源U_ss，少了输入耦合电容C₃及输出耦合电容C₄，其他相同。

图11所示单电源电容耦合互补源随器偏输入功放电路中电容C₂与两只互补功率管的栅极并联。直流电源U_cc通过偏置电阻R_g1、R_g2及R_g3给互补功率管提供栅极偏置电压及漏极偏置电流。信号电压经电容C₁加到N沟道功率管的栅极，同时又通过C₂耦合到P沟道功率管的栅极。信号经功率放大后由电容C₃加到负载R_L上。

图12所示双电源电容耦合互补源随器偏输入功放电路与图11相比，除多了负电源U_ss，少了输出耦合电容C₃，其他与图11相同。

图13所示电容耦合互补源随器BTL桥式功放电路中，直流电源U_cc通过偏置电阻R_b1、R_b2给互补功率管T₁、T₂提供偏置电流，又通过偏置电阻R_b3、R_b4给互补功率管T₃、T₄提供偏置电流。待放大的信号一方面加在BTL电路左输入端，另一方面经反相后加在右输入端。在信号正半周，BTL电路的功率管T₁和T₄进一步导通，电流自左至右流过负载R_L；在信号负半周，BTL电路的功率管T₃和T₅进一步导通，电流自右至左流过负载R_L； 

图14所示偏输入电容耦合互补源随器BTL桥式功放与图13相比，除将电容C₁、C₂合为C₂，将C₁独立，将C₃、C₄合为C₄，将C₃独立，将对称输入改为偏输入，其他相同。

图15所示为信号放大器与新型互补射随器功放结合在一起的音频放大电路。在本实施例中，T₁、T₂管的β值取不小于100倍，T₃、T₄互补功率管的β值取不小于50倍，就能用该电路将彩电等设备的音频输出信号Audio放大后驱动扬声器。信号放大器取双级共射放大结构，优点是能有效补偿非线性失真，有利于使信号放大器输出电压的THD很小，以获得最佳音响效果。基极偏置电阻R_b1可按照R_b1=β₁(R_c1+R_c1//r_be1)来设计；R_b2可按照R_b2≈2β₂R_c2来设计。基极偏置电阻R_b1、R_b2取正温度系数，可抑制温度飘移。电容C₂、C₄≥47nF，电容C₁、C₃、C₅≥10μF，C₆≥100μF。

图16所示另一种信号放大器与新型互补射随器功放结合在一起的音频放大电路实施例。与图15比较，图16电路中信号放大器多了一级射随器，驱动能力更强，能带动更大的负载。图15能驱动20吋彩电的5W扬声器，图16能驱动功率更大的扬声器。

图17所示为OP信号放大器与新型功放结合的实施例。

图18所示为OP信号放大器与新型BTL功放结合的实施例。

图15、图16、图17、图18中虚线圈出部分为本发明核心技术特征电路。从图15、图16、图17、图18四个实施例可以看出，本发明的特点还有：第一，信号放大电路与互补功放电路泾渭分明，特别有利于设计制造及维护；第二，信号放大电路各级之间以及从信号放大电路到互补功放之间都用电容耦合，有利于避免或减少某一功率管长时间开启而烧毁。即使是OCL电路，调试时也可在负载与功放输出端之间临时接一个电容，以隔断直流通道，可靠避免烧毁功率管或扬声器等负载。

Claims (10)

1.功率管互补功率放大器，由异极性的BJT组成或由异沟道的FET组成的单电源电路或双电源电路或桥式电路，其特征在于：主要由NPN功率晶体管与PNP功率晶体管及电容、电阻组成的互补射随器，两功率管基极之间通过电容、电阻或电容和电阻连接起来；主要由N沟道增强型功率场效应管与P沟道增强型功率场效应管及电阻、电容组成的互补源随器，两功率管栅极之间通过电阻、电容或电阻和电容连接起来。

2.根据权利要求1的功率管互补功率放大器，其特征在于：两功率管的基极之间由两串联的电容连接，信号电压自两电容的中点接入。

3.根据权利要求1的功率管互补功率放大器，其特征在于：两功率管的基极之间通过一个电容连接，信号电压可以首先输入到任意一个功率管的基极，再经该电容耦合到另外一个功率管的基极。

4.根据权利要求1的功率管互补功率放大器，其特征在于：两功率管的基极之间由两串联的电阻或一个电位器连接，信号电压自两电阻或电位器的中点接入。

5.根据权利要求2或3或4所述的功率管互补功率放大器，其特征在于：所用功率三极管可以是普通晶体管，也可以是复合晶体管。

6.根据权利要求1的功率管互补功率放大器，其特征在于：两电阻串联、两电容串联后再并联，共同接在两功率管的栅极之间，电压信号自两电容的中点接入。

7.根据权利要求6的功率管互补功率放大器，其特征在于：两串联电容的中点与两串联电阻的中点可以独立，也可以连接在一起。

8.根据权利要求1的功率管互补功率放大器，其特征在于：两功率管的栅极之间通过并联的电阻电容连接，信号电压可以先输入到任意一个功率管的栅极，再经该电容耦合到另外一个功率管的栅极。

9.根据权利要求1的功率管互补功率放大器，其特征在于：两功率管的栅极之间串接两个电容，电压信号自两个电容的中点接入。

10.根据权利要求1的功率管互补功率放大器，其特征在于：两功率管的栅极之间串接一个电容，电压信号输入到任意一个功率管的基极，再经电容耦合到另一个功率管的基极。

Images