CN103427771A - Btl型差动式音频功率放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种音频功率放大电路。该电路的结构如附图所示。该电路的结构特点为分为两级放大，第一级为两个放大器A1和A2构成的BTL功率放大电路，第二级放大器A3为差动输入电压放大器。第一级的两个放大器一个是同相输入电压放大器，一个为反相输入电压放大器，两个不同放大器输出的信号为幅值相同相位相反的信号。第二级放大电路利用上一级电路输出信号相位相反的特点，对两个输出信号进行差模放大。第一级放大电路两输出端之间连有RL电路以消除零点漂移对放大电路产生的影响，第二级的差动输入电压放大器合理利用第一级放大信号等幅反相的特点，保证输出信号较低的失真。

Description

BTL型差动式音频功率放大电路

技术领域

本发明涉及一种音频功率放大电路，特别涉及一种利用BTL（平衡桥式功放电路）对微弱音频信号进行差动放大的功率放大电路。

背景技术

BTL功率放大电路，是常见的功率放大电路。BTL（Balanced Transformer Less）电路，称为平衡桥式功放电路。它由两个对称的OTL（无输出变压器功率放大电路）或OCL（无输出电容直接耦合功率放大电路）组成。其中一个放大器的输出是另外一个放大器的镜像输出，也就是说加在负载两端的信号仅在相位上相差180°，负载上将得到原来单端输出的2倍电压，理论上来讲电路的输出功率将增加4倍。BTL电路能充分利用系统电压，因此BTL结构常应用于低电压系统或电池供电系统中。BTL形式不同于推挽形式，BTL的每一个放大器放大的信号都是完整的信号，只是两个放大器的输出信号反相而已。BTL电路的主要特点有：可采用单电源供电，两个输出端直流电位相等，有较强的电源共模抑制比，与OTL、OCL电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下，BTL电路输出电压可增大一倍，输出功率可增大四倍，这意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输出功率。但是，由于BTL的两个放大器不可能完全相同，两个放大器存在零点漂移，且零点漂移量不完全相同，经过多级放大后这种零点漂移被相应的放大，造成较大的失真。上述为一种基于运算放大器的BTL功率放大电路，如果直接用上述电路驱动如扬声器这样的负载会有以下问题。第一，零点时（即输入信号U_in为零）输出电压U_out1和U_out2实际值都不为零，这是由于零点漂移广泛存在于电子器件中，也包括运算放大器。解决这个问题的常用方案有两种：一是使用两种规格相同的集成运算放大器，使两个集成运算放大器的零点漂移相互抵消，但是让两个集成运算放大器完全相同是不可能的，所以零点漂移的影响总存在；二是在U_out1和U_out2之间接一滤波电容以过滤掉零点漂移带来的直流成分，但是串接电容也会带来失真问题，因为声音这种信号是直流成分和交流成分叠加的结果，交流成分又可分为基波和高次谐波。串接电容的引入不利于低音（低频波）的输出，造成失真。同时，BTL电路两输出端相对称，负载扬声器处于悬浮不接地状态，与OTL和OCL电路相比起来检修工作有更多不便。

发明内容

针对上述问题，本发明所涉及的一种基于BTL功率放大电路和差动式功率放大电路组成的组合功率的放大电路。在充分利用普通BTL功率放大器优势的基础上，结合差动式功率放大电路提供了一种改进方案，有效地解决了普通BTL功率放大器零点漂移、放大失真、扬声器悬浮不接地等问题。

本发明为了实现上述目的，可以使用以下方案：

本发明提供了一种音频功率放大电路，用于驱动负载扬声器，包括：第一电压放大器(A1)的同相输入端通过电阻器（R5）接入第二电压放大器(A2)的反相输入端，输入电压通过耦合电容（C5）输入到所述第一电压放大器(A1)，所述第一电压放大器（A1）的同相输入端连接电阻器(R1)并接地，所述第一电压放大器（A1）的反相输入端与输出端之间连接电阻器（R3），在所述第一电压放大器（A1）的反相输入端与电阻器（R3）之间通过电阻器(R2)接地，所述第二电压放大器（A2）的反相输入端与输出端之间连接电阻器（R6），组成平衡桥式放大器作为第一级放大电路(11)；其特征在于：第一电压放大器和（A1）第二电压放大器（A2）的输出端之间串联了电感(L1)与电阻器（R13）用以消除零点漂移，第二电压放大器（A2）的输出端通过电阻器（R7）与差动输入放大器（A3）的同相输入端相连，电阻器（R7）与差动输入放大器（A3）的同相输入端的节点之间通过连接电阻器（R10）接地，第一电压放大器（A1）的输出端通过电阻器（R9）与差动输入放大器（A3）的反相输入端相连，电阻器（R9）与差动输入放大器（A3）的反相输入端之间通过电阻器（R8）连接到差动输入放大器（A3）的输出端，组成第二级放大电路（12），第一电压放大器（A1）和第二电压放大器（A2）的输出信号通过第二级放大电路（12）进行差模放大后通过耦合电容(C6)驱动负载扬声器。

本发明所涉及的音频功率放大电路，电感（L1）采用200μH-220μH的贴片电感，电阻（R13）采用10Ω-30Ω的贴片电阻。

另外，第一电压放大器（A1）的输出端与电阻器（R3）之间的节点通过连接串联的电阻器（R11）和隔直电容（C3）接地，第二电压放大器（A2）的输出端与电阻器（R6）之间的节点通过连接串联的电阻器（R12）与隔直电容（C4）接地。

附图说明

图1是本发明所涉及的音频功率放大电路的层次示意图。

图2是本发明所涉及的音频功率放大电路的电路原理图。

图3是本发明所涉及的音频功率放大电路的波形效果仿真图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明所涉及的一种基于BTL放大器和差分放大器的音频功率放大电路的优选实施例做详细的阐述，但本发明并不仅限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明的优选实施例中详细说明了具体细节。

图1为本发明所涉及的音频功率放大电路的层次示意图。

如图1所示，输入信号U_in分别通过第一电压放大器（A1）和第二电压放大器（A2）放大得到两个放大后的信号U_out1和U_out2，第一电压放大器（A1）和第二电压放大器（A2）组成BTL功率放大电路。两个放大器的输出信号又作为输入信号输入到差动功率放大器（A3），差动功率放大器（A3）放大后得到输出信号U_out供给负载扬声器。

图2为本发明所涉及的音频功率放大电路的电路原理图。

如图2所示，音频功率放大电路（10）由第一级放大电路（11）和第二级差分放大电路（12）组成，包括三个运算放大器，包括第一电压放大器（A1）,第二电压放大器（A2）以及差动输入放大器（A3）均由+16V和-16V双电源供电,+16V和-16V双电源的节点上分别通过稳压电容（C1）和稳压电容（C2）接地。

输入电压U_in通过一个耦合电容（C5）输入到第一电压放大器（A1）的同向输入端，第一电压放大器（A1）的同相输入端通过电阻器（R5）连接到第二电压放大器（A2）的反相输入端，两个放大器的输出信号等幅反相，第一电压放大器（A1）的同相输入端连接电阻器（R1）并接地，第一电压放大器（A1）的反相输入端与输出端之间连接电阻器（R3），在第一电压放大器（A1）的反相输入端与电阻器（R3）之间通过电阻器(R2)接地，第二电压放大器（A2）的反相输入端与输出端之间连接电阻器（R6），组成平衡桥式放大器作为第一级放大电路(11)。第一电压放大器的放大倍数为A₁=1+R₃/R₂，R_p为平衡电阻，用于平衡由于输入偏置电流造成的失调，R_p=R₂R₃/(R₂+R₃)。第二电压放大器（A2）是一个反相输入电压放大器，放大倍数A₂=-R₆/R₅，R₄为平衡电阻,用于平衡失调。信号U_in经过A1放大后输出的电压值U_out1=A₁/U_in=(1+R₃/R₂)U_in，经第二电压放大器（A2）放大后输出的电压值为U_out2=A₂U_in=-R₆/R₅U_in。调整电阻值可以使U_out1和U_out2实现等幅反相，例如选取R₂=R₃=R₅=R=10KΩ,R₆=2R=20KΩ,则有U_out1=-U_out2=2U_in。

第一电压放大器（A1）的输出端与电阻器（R3）之间的节点通过连接串联的电阻器（R11）和隔直电容（C3）接地，第二电压放大器（A2）的输出端与电阻器（R6）之间的节点通过连接串联的电阻器（R12）与隔直电容（C4）接地。电阻器（R11）和隔直电容（C3），电阻器（R12）和隔直电容（C4）分别组成第一电压放大器（A1）和第二电压放大器（A2）的输出端消振网络。第一电压放大器（A1）和第二电压放大器（A2）的输出端连有一个相对较大的电感（L1）和一个相对较小的电阻器（R13）组成的RL电路用于消除零点漂移对放大电路的影响。

首先是在第一电压放大器（A1）的输出端和第二电压放大器（A2）的输出端串接一个相对较大的电感（L1）和一个相对较小的电阻器（R13）。电感（L1）和电阻器（R13）的作用是消除第一电压放大器（A1）和第二电压放大器（A2）的零点漂移不对称问题，保证零点时两运算放大器输出端电位差尽可能地小。因为零点漂移产生的两运算放大器输出端的电位差△U₀在短时间内较为稳定，可以看作是直流量，因而产生的微弱直流电流I₀可以通过大电感L1和R13，这样就使得U_out1和U_out2在零点上近似可以看作是相同的。当有信号输入时，输入的信号通过傅里叶变化后，直流量在小电阻器R13上产生电位差可以被后级差动电路放大，交流量几乎无法通过电感L1只能通过下级差动放大电路。所以加入的RL电路在消除零点漂移的基础上，造成信号的削弱是可以忽略的。考虑到电感值越大电感体积越大，不利于集成，电感（L1）采用200μH-220μH的贴片电感，电阻（R13）采用10Ω-30Ω的贴片电阻。

第二级放大电路（12）采用的是差动功率放大电路，由如下元器件构成：第二电压放大器（A2）的输出端通过电阻器（R7）与差动输入放大器（A3）的同相输入端相连，电阻器（R7）与差动输入放大器（A3）的同相输入端的节点之间通过连接电阻器（R10）接地，第一电压放大器（A1）的输出端通过电阻器（R9）与差动输入放大器A3的反相输入端相连，电阻器（R9）与差动输入放大器（A3）的反相输入端之间通过电阻器（R8）连接到差动输入放大器（A3）的输出端，组成第二级放大电路（12），因为第一级BTL功率放大电路（11）的输出电压U_out1和U_out2的关系上满足幅值相同，相位相反，则差动电压△U=U_out1-U_out2=2U_out1=4U_in。这样第二级差动放大电路（12）输入的差模信号就为输入信号的4倍，充分利用了上级BTL功率放大电路输出信号等幅反相的特点，具有更理想的信号保真效果。差动输入放大器的输出电压U_out=A₃△U=(R₈/R₉)(U_out1-U_out2)=4(R₈/R₉)U_in，若选取R₈=2R₉=20KΩ,则有U_out=8U_in，即真个放大电路的增益是8。差动输入放大器（A3）的输出端通过耦合电容（C6）与负载扬声器相耦合，滤波电容（C6）的电容值较大来保证输出波形较低的失真度，差动输入放大器（A3）将第一级放大电路（11）输出的差模信号放大后输出供给扬声器负载，输出端与负载通过耦合电容（C6）相互耦合。

图3为本发明所涉及的音频功率放大电路的波形效果仿真图。

如图3所示，仿真信号的输入端选取了经典的频率为50Hz有效值为707.1mV的正弦波。通过输出端的波形可以看出输入信号被明显地放大了，并且看不出有任何明显的信号失真。

输入与输出信号电压的需要有效值验证，用于验证理论与仿真结果相符与否。当有效值为707.1mV的正弦信号经过增益为8的放大电路放大后有理论值应该为5.6568V，实际值5.656V与理论值相吻合。

Claims (3)

1.一种音频功率放大电路，用于驱动负载扬声器，包括：

第一电压放大器(A1)的同相输入端通过电阻器（R5）接入第二电压放大器(A2)的反相输入端，输入电压通过耦合电容（C5）输入到所述第一电压放大器(A1)，所述第一电压放大器（A1）的同相输入端连接电阻器(R1)并接地，所述第一电压放大器（A1）的反相输入端与输出端之间连接电阻器（R3），在所述第一电压放大器（A1）的反相输入端与电阻器（R3）之间通过电阻器(R2)接地，所述第二电压放大器（A2）的反相输入端与输出端之间连接电阻器（R6），组成平衡桥式放大器作为第一级放大电路(11)；

差动输入电压放大器（A3）；

其特征在于：

所述第一电压放大器（A1）和第二电压放大器（A2）的输出端之间串联了所述电感(L1)与电阻器（R13）用以消除零点漂移，

所述第二电压放大器（A2）的输出端通过电阻器（R7）与所述差动输入放大器（A3）的同相输入端相连，所述电阻器（R7）与所述差动输入放大器（A3）的同相输入端的节点之间通过连接电阻器（R10）接地，

所述第一电压放大器（A1）的输出端通过电阻器（R9）与差动输入放大器（A3）的反相输入端相连，电阻器（R9）与差动输入放大器（A3）的反相输入端之间通过电阻器（R8）连接到所述差动输入放大器（A3）的输出端，组成第二级放大电路（12），

所述第一电压放大器（A1）和所述第二电压放大器（A2）的输出信号通过所述第二级放大电路（12）进行差模放大后通过耦合电容(C6)驱动负载扬声器。

2.根据权利要求1所述的音频功率放大电路，其特征在于：

其中，所述电感（L1）采用200μH-220μH的贴片电感，所述电阻（R13）采用10Ω-30Ω的贴片电阻。

3.根据权利要求1所述的音频功率放大电路，其特征在于：

其中，所述第一电压放大器（A1）的输出端与所述电阻器（R3）之间的节点通过连接串联的电阻器（R11）和隔直电容（C3）接地，所述第二电压放大器（A2）的输出端与电阻器（R6）之间的节点通过连接串联的电阻器（R12）与隔直电容（C4）接地。

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