CN103248326B - 一种功率放大器的输出级电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率放大器的输出级电路，该输出级电路包括有温度补偿模块、上管组合模块和下管组合模块。本发明采用两个组合功率管模块代替普通电路中的单个输出三极管，所述上管部分只需要考虑三极管承受高电压和大功率的问题，而下管部分只需要考虑三极管的速度和线性参数，因而使用低成本的三极管能够达到很高的性能，同时也有效的解决温度补偿问题且降低电路成本。本发明作为一种功率放大器的输出级电路可广泛应用于电子电路中。

Description

一种功率放大器的输出级电路

技术领域

本发明涉及电子电路，尤其是一种功率放大器的输出级电路。

背景技术

随着音响技术的发展，功放的输出功率做得越来越大，输出电压也随之升高。对AB类功放而言，要求功率管元件能耐高压、速度快、线性好。市面上能同时满足这些要求的功率管的品种稀少，即便有也存在供货不稳定、价格无优势的问题。

众所周知，AB类功放消除“交越失真”的偏置电路具备温度补偿特性。温度取样只是一个缓慢变化的平均值，但功率管管芯温度快速变化，普通的温度补偿电路无法及时的取样和调整偏置电压、电流。由此带来一些问题，一是音质难听，很多功放在测量额定输出失真时非常好，但听音乐时却明显感觉到“交越失真”；二是稳定性变差，例如功放在冬天开机时，偏置电压较高，这时如果全额功率输出，功率管管芯温度就会迅速升高，由于偏置电路补偿的滞后，往往导致功放因电流过大而出现故障。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种能够高稳定性、低失真和具有良好的温度补偿特性的功率放大器的输出级。

本发明所采用的技术方案是：一种功率放大器的输出级电路，该输出级电路包括有温度补偿模块、上管组合模块和下管组合模块；

所述上管组合模块包括有上管偏置模块、上管管耗模块和上管音质模块，所述温度补偿模块的第一连接端连接至上管偏置模块的输入端，所述上管偏置模块的第一输出端连接至上管管耗模块的输入端，所述上管偏置模块的第二输出端连接至上管音质模块的输入端，所述上管管耗模块的第一连接端连接至正电源，所述上管管耗模块的第二连接端连接至上管音质模块的第一连接端；

所述下管组合模块包括有下管偏置模块、下管管耗模块和下管音质模块，所述温度补偿模块的第二连接端连接至下管偏置模块的输入端，所述下管偏置模块的第一输出端连接至下管管耗模块的输入端，所述下管偏置模块的第二输出端连接至下管音质模块的输入端，所述下管管耗模块的第一连接端连接负电源，所述下管管耗模块的第二连接端连接至下管音质模块的第一连接端，所述下管音质模块的第二连接端连接至上管音质模块的第二连接端。

进一步，所述上管偏置模块包括有第一二极管，所述上管管耗模块包括有第一NPN三极管，所述上管音质模块包括有第二NPN三极管；

所述第一二极管的阳极连接至第一NPN三极管的基极，所述第一二极管的阴极分别连接至温度补偿模块的第一连接端和第二NPN三极管的基极，所述第一NPN三极管的集电极连接至正电源，所述第一NPN三极管的射极连接至第二NPN三极管的集电极,所述第二NPN三极管的射极连接有第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端接地。

进一步，所述下管偏置模块包括有第二二极管，所述下管管耗模块包括有第一PNP三极管，所述下管音质模块包括有第二PNP三极管；

所述第二二极管的阴极连接至第一PNP三极管的基极，所述第二二极管的阳极分别连接至温度补偿模块的第二连接端和第二PNP三极管的基极，所述第一PNP三极管的集电极连接至负电源，所述第一PNP三极管的射极连接至第二PNP三极管的集电极,所述第二PNP三极管的射极连接至第二NPN三极管的射极。

本发明的有益效果是：采用管耗模块和音质模块代替普通电路中的单个输出晶体管，所述管耗模块只需要考虑晶体管承受高电压和大功率的问题，而音质模块部分只需要考虑晶体管的速度和线性参数，因而使用低成本的晶体管能够达到很高的性能，同时也有效的解决温度补偿问题又可降低电路成本；在功放的设计制作中，需要考虑到其温度补偿性能。尤其是大功率的功放，由于管芯的温度高而且变化快，普通的电路中，将用作偏置的二极管贴于晶体管的管芯，尽量使其温度紧随晶体管变化，但是在实际应用中，管芯的温度不仅比管壳高，而且变化的频率很快，此时晶体管产生的热量传导至二极管的只是一个滞后的温度变化，而且变化值也只是一个平均值，而非实时值。

在功放处于温度较低的环境时，二极管温度与输出晶体管温度变化不同步的情况尤其明显。最坏的情况是二极管温度与输出晶体管温度变化不同步时，输出级的上下两个晶体管均导通，此时电路相当于短路，容易造成晶体管的损毁。由于本发明的音质模块使用的小散热器可以不和管耗模块使用同一个散热器，所以音质模块对温度不敏感，大大改善了上述存在的问题，在实际电路中取得了非常好的效果。

附图说明

图1为本发明的功能模块图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为本发明的第一具体实施例；

图4为本发明的第二具体实施例；

图5为本发明的第三具体实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图1，一种功率放大器的输出级电路，该输出级电路包括有温度补偿模块1、上管组合模块2和下管组合模块3；

所述上管组合模块2包括有上管偏置模块4、上管管耗模块5和上管音质模块6，所述上管偏置模块4的第一输出端连接至上管管耗模块5的输入端，所述温度补偿模块1的第一连接端连接至上管偏置模块4的第二输出端，所述上管偏置模块4的第二输出端连接至上管音质模块6的输入端，所述上管管耗模块5的第一连接端连接至正电源，所述上管管耗模块5的第二连接端连接至上管音质模块6的第一连接端；

所述下管组合模块3包括有下管偏置模块7、下管管耗模块8和下管音质模块9，所述下管偏置模块7的第一输出端连接至下管管耗模块8的输入端，所述温度补偿模块1的第二连接端连接至下管偏置模块7的第二输出端，所述下管偏置模块7的第二输出端连接至下管音质模块9的输入端，所述下管管耗模块8的第一连接端连接负电源，所述下管管耗模块8的第二连接端连接至下管音质模块9的第一连接端，所述下管音质模块9的第二连接端连接至上管音质模块6的第二连接端。

传统的AB类的功率放大器中有射极跟随器电路，而本发明中采用一种功率管串联组合来代替原有的功率管。所述上管管耗模块使用能承受高电压和大功率的三极管，所述上管音质模块中元件的选用则只需要考虑速度和线性，是的整个电路中的元件可在相对低价的品种中选择，不仅大幅提升电路工作性能，而且大大降低电路成本，其原理电路可参照图2。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述上管偏置模块4包括有第一二极管D1，所述上管管耗模块5包括有第一NPN三极管Q1，所述上管音质模块6包括有第二NPN三极管Q2；

所述第一二极管D1的阳极连接至第一NPN三极管Q1的基极，所述第一二极管D1的阴极分别连接至温度补偿模块1的第一连接端和第二NPN三极管Q2的基极，所述第一NPN三极管Q1的集电极连接至正电源，所述第一NPN三极管Q1的射极连接至第二NPN三极管Q2的集电极,所述第二NPN三极管Q2的射极连接有第三电阻RL的一端，所述第三电阻RL的另一端接地。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述下管偏置模块4包括有第二二极管D2，所述下管管耗模块8包括有第一PNP三极管Q4，所述下管音质模块9包括有第二PNP三极管Q3；

所述第二二极管D2的阴极连接至第一PNP三极管Q4的基极，所述第二二极管D2的阳极分别连接至温度补偿模块1的第二连接端和第二PNP三极管Q3的基极，所述第一PNP三极管Q4的集电极连接至负电源，所述第一PNP三极管Q4的射极连接至第二PNP三极管Q3的集电极,所述第二PNP三极管Q3的射极连接至第二NPN三极管Q2的射极。

原理如图2所示，采用管耗模块和音质模块代替普通AB类功率放大电路中的单个输出晶体管， 第一二极管D1是上管偏置模块，第一NPN三极管Q1是上管管耗模块，第二NPN三极管Q2是上管音质模块。音频信号从第一NPN三极管Q1基极输入，供电电流从第一NPN三极管Q1的集电极输入，受音频信号控制后的电流在第一NPN三极管Q1的发射极输出，供给第二NPN三极管Q2使用。音频信号经过第一二极管D1减少一个二极管PN结的电压后送到第二NPN三极管Q2的基极，供电电源从跌NPN三极管Q2集电极输入，音频信号经第二NPN三极管Q2作电流放大后在集电极输出。

从电压上分析：假设第一NPN三极管Q1的基极在某个时刻直流电压为1.4V，那么第一NPN三极管Q1的射极电压是0.7V，音频功率输出端点（即第二NPN三极管Q2的射极）电压是0V， 第二NPN三极管Q2的基极点电压是0.7V，第二NPN三极管Q2的集电极和发射极电压差是0.7V。

又假设第一NPN三极管Q1的基极在某个时刻直流电压为20V的时候，那么第一NPN三极管Q1的射极电压是19.3V，音频功率输出端点（即第二NPN三极管Q2的射极）电压是18.6V, 第二NPN三极管Q2的基极点电压是19.3V, 第二NPN三极管Q2的集电极和发射极电压差是0.7V。由此可见，在作为音频功率输出的第二NPN三极管Q2的集电极电压和发射极的电压差始终维持在0.7V。

从电流上分析：假设输出级某个时刻的电流为2A，电压降为50V，则输出级的功耗为2A*50V=100W。而原有的AB类功率放大器的输出级功率管虽然电流也为2A，但电压降仅为一只二极管的电压降，一般为0.7V左右，亦即功耗为2A*0.7V= 1.4W以下。由于同等散热条件下功率管的温升与其功耗几乎呈正比，假定传统AB类功放在全额输出时，功率管管芯温升为100摄氏度，那么在图2电路中第二NPN三极管Q2的温升变为只有1.4摄氏度， 100摄氏度的温升由新增的第一NPN三极管Q1承受。

参照图3，本发明电路的第一具体实施例：

相对电路原理图图2，图3中电路将上管管耗模块、上管音质模块、下管管耗模块和下管音质模块中的三极管均替换成达林顿管，电路中相应的位置增加电阻。

在图2的上管管耗模块电路中，电流放大倍数是:输入电流乘于第一NPN三极管Q1的放大系数。

在图3的上管管耗模块电路中，电流放大倍数是：输入电流乘于第一NPN三极管的放大系数再乘于第二NPN三极管的放大系数。

由此可见，增加了一级电流放大电路，增加电路整体的电流放大倍数，可以达到增加输出级电路电流的效果。

参照图4，本发明电路的第二具体实施例：

图4所示电路为图3所示电路的改进，同理由于上下两部分模块的结构对称，两者电路工作原理相似。图4所示电路采用自举电路提供给上管管耗模块和下管管耗模块控制信号的输出电路。

在图3的基础上，如图4所示，在上管组合模块中增加了电感和电容。信号从第一二极管的阳极输入，由于电感有通直流阻交流的感抗特性，使动态的音频信号不能通过电感，而通过第一二极管然后经上管音质模块中的达林顿管作电流放大后送至负载使用，音频的交流信号经过电容反馈到上管管耗模块中达林顿管的基极，进一步放大后的电流供给上管音质模块中的达林顿管的集电极使用，下管部分的原理和上管部分相同。

参照图5，本发明电路的第三具体实施例：

如图5，电源提供12V电压，经过上管管耗模块中达林顿管的前级三极管给上管音质模块中达林顿管的前级三极管供电, 上述两个达林顿管的前级三极管是共集电极电路，只有电流增益，没有电压增益，可以用低电压电源供电；下管组合模块的电路与上管组合模块的电路呈对称结构，同样可以用低电压电源供电。

功率输出级的供电电源需要几十伏至上百伏的电压，如图5，正供电电源经过上管管耗模块中达林顿管的后级三极管给上管音质模块中达林顿管的后级三极管供电，上述两个达林顿管的后级三极管都是共发射极电路，由于共发射极电路有很高的电压增益，所以前级电路只需要很低的电压增益。而下管组合模块的电路与上管组合模块的电路呈对称结构，因此同样只需要前级电路有很低的电压增益。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种功率放大器的输出级电路，其特征在于：该输出级电路包括有温度补偿模块（1）、上管组合模块（2）和下管组合模块（3）；

所述上管组合模块（2）包括有上管偏置模块（4）、上管管耗模块（5）和上管音质模块（6），所述上管偏置模块（4）的第一输出端连接至上管管耗模块（5）的输入端，所述温度补偿模块（1）的第一连接端连接至上管偏置模块（4）的第二输出端，所述上管偏置模块（4）的第二输出端连接至上管音质模块（6）的输入端，所述上管管耗模块（5）的第一连接端连接至正电源，所述上管管耗模块（5）的第二连接端连接至上管音质模块（6）的第一连接端；所述上管管耗模块采用大功率三极管；

所述下管组合模块（3）包括有下管偏置模块（7）、下管管耗模块（8）和下管音质模块（9），所述下管偏置模块（7）的第一输出端连接至下管管耗模块（8）的输入端，所述温度补偿模块（1）的第二连接端连接至下管偏置模块（7）的第二输出端，所述下管偏置模块（7）的第二输出端连接至下管音质模块（9）的输入端，所述下管管耗模块（8）的第一连接端连接负电源，所述下管管耗模块（8）的第二连接端连接至下管音质模块（9）的第一连接端，所述下管音质模块（9）的第二连接端连接至上管音质模块（6）的第二连接端；所述下管管耗模块采用大功率三极管。

2.根据权利要求1所述的一种功率放大器的输出级电路，其特征在于：所述上管偏置模块（4）包括有第一二极管（D1），所述上管管耗模块（5）包括有第一NPN三极管（Q1），所述上管音质模块（6）包括有第二NPN三极管（Q2）；

所述第一二极管（D1）的阳极连接至第一NPN三极管（Q1）的基极，所述第一二极管（D1）的阴极分别连接至温度补偿模块（1）的第一连接端和第二NPN三极管（Q2）的基极，所述第一NPN三极管（Q1）的集电极连接至正电源，所述第一NPN三极管（Q1）的射极连接至第二NPN三极管（Q2）的集电极,所述第二NPN三极管（Q2）的射极连接有第三电阻（RL）的一端，所述第三电阻（RL）的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的一种功率放大器的输出级电路，其特征在于：所述下管偏置模块（7）包括有第二二极管（D2），所述下管管耗模块（8）包括有第一PNP三极管（Q4），所述下管音质模块（9）包括有第二PNP三极管（Q3）；

所述第二二极管（D2）的阴极连接至第一PNP三极管（Q4）的基极，所述第二二极管（D2）的阳极分别连接至温度补偿模块（1）的第二连接端和第二PNP三极管（Q3）的基极，所述第一PNP三极管（Q4）的集电极连接至负电源，所述第一PNP三极管（Q4）的射极连接至第二PNP三极管（Q3）的集电极,所述第二PNP三极管（Q3）的射极连接至第二NPN三极管（Q2）的射极。