CN104660190A - 光电耦合动态甲类偏置电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型动态甲态放大器的偏置电路，其特征在于把放大器的输入或输出信号经过处理后通过光电耦合器和偏置电路转换成跟随信号强度变化的动态偏置电压。本发明由信号处理电路、光电耦合器和偏置电路3个部分构成。信号处理电路中采用电容器蓄存放大信号的峰值电压，然后按设定的时间常数放电并推动光电耦合器控制偏置电路产生偏置电压，在下一个高于电容器上即时电压的信号峰值补充进来之前，偏置电压随着电容器的放电电压逐渐下降，因而放大器耒级管的基本电流(静态电流)也逐渐下降，当新的信号峰值补充进电容器时，耒级基本电流又从新上升到一个新的高度，因此放大器的基本电流总是不断的跟随放大信号峰值的起伏变化。

Description

光电耦合动态甲类偏置电路

技术领域

本发明属于功率放大器技术领域，涉及到甲类功率放大器未级功率管的偏置电压和基本电流(静态电流)的产生和控制技术。

背景技术

甲类功率放大器在所有类型放大器中具有最好的放大信号保真度，但它又是效率最低，耗能最高的放大器，而且不论输出信号的功率大小，所消耗的电能几乎是一样大的；以一个功率电源为正负50伏的音频功放为例，如果它的额定音箱阻抗为8欧姆的话，那么它的未级静态电流应当为3A才能保证最大峰值输出时还能工作在甲类状态，这样的功率放大器两个声道就要消耗600瓦电能，而且还有热散困难和制造成本高等问题，为此，有些放大器采取折中方法，即采取较小的未级静态电流，如上述放大器的未级静态电流只用1.5A，这样就能节省一半的电能，而放大器在中小功率输出时工作在甲类状态，在大功率输出时就进入乙类状态，因此也不是一种较理想的放大器。

现在有一些所谓的动态甲类功率放大器也仅是通过动态偏置电路给功放的未级推挽互补对管提供一个跟随放大信号变化的动态同步偏压，放大信号的电压上升时偏置电压跟随上升，放大信号电压下降时偏置电压也跟随下降，其作用是在推挽对管的两边功率管在输出交流信号的正负半周轮流输出时，没有输出的那一边功率管能保持低量导通状态而避免进入截止状态，这样就能较好地消除了放大器的开关失真，但是放大器还是工作在乙类状态。

甲类功率放大器工作时，即使没有放大信号输出，它的未级上下两组推挽对管也要同时通过一个较大(大概为几安培)的基本电流，这个电流也称为静态电流；输出功率放大的交流信号时，当上组功率管的电流在基本电流的基础上放大上升，下组功率管的电流就在基本电流的的基础上等量下降减小，反之上组管的电流减小时下组管的电流就增大，输出到负载上的电流就等于上下两组管之间所通过的电流之差，当交流信号过零时，上下两组管的电流回复到基本电流。对于甲类放大器的要求是在最大峰值功率输出时，其中一组功率管的电流放大到接近于基本电流的两倍，另一组功率管的电流则减小到接近于零但不能进入截止区。在实际使用中，由于音频信号具有很大的动态范围，音频信号的强度总是起起伏伏的，功率放大器输出信号的极大部分都没有达到最大峰值功率，冈此它的未级功率管的极大部分时间都是工作在远离截止区，在这种情况下，如果能够跟随放大器输出信号的大小变化自动调节未级管的基本电流，使未级管总是跟随放大信号工作到靠近截止区但又不会超越它，这样既能保证功率放大器不论在任何信号强度下都能工作在甲类状态，又能使放大器基本电流的平均值大大减小，既能获得甲类放大器的高保真度，又大大的减小了电能的浪费，这种放大器才是真正的动态甲类放大器，能够自动控制放大器未级功率管的基本电流跟随输出信号强度变化的电路就是动态甲类偏置电路。

发明内容

本发明的光电耦合动态甲类偏置电路的基本特征在于把功率放大器的输入或输出信号经过处理后通过光电耦合器和偏置电路转换成跟随信号强度变化的动态偏置电压。电路中采用电容器蓄存信号的峰值电压，然后按设定的时间常数放电并推动光电耦合器控制偏置电路的电压，在下一个高于电容器上即时电压的信号峰值补充进来之前，偏置电压随着电容器的放电电压逐渐下降，因而放大器耒级管的基本电流也逐渐下降，当新的信号峰值补充进电容器时，耒级基本电流又从新上升到一个新的高度，因此放大器的基本电流总是不断的跟随放大信号峰值的起伏变化。另外，甲类放大器的静态电通常都要有几个安培，而采用本发明的动态甲类放大器静态时(无信号输出时)的未级电流仅有几十毫安，与乙类放大器一样，只是在有信号输出时依照功率输出电流峰值的大小相应地增加基本电流。

本发明的光电耦合动态甲类偏置电路由信号处理电路，光电耦合器和偏置电路3个部分组成，图1是这本发明的组成方框图。下面解说本发明的基本原理：

图2A和图2B是现有技术的固定偏压偏置电路，以图2A为例，它产生的偏置电压就等于R和RH两个电阻上的电压之和，由于电阻RH与三极管VT的be极并联，因此RH上的电压即为be极上的压降，基本稳定在0.7伏，改变RH的电阻值就相应地改变了通过它的电流，虽然它的电压不会变化，但电流的变化会导致R上的电压变化，因此就导致了偏置电压发生变化。同样，在图2B的偏置电路中，改变电阻RH的电阻值也会导致它的偏置电压发生变化。本发明的基本设想就是采用一个光敏元件(光敏电阻、光敏三极管或光电池等元件)代替RH，通过改变照射到光敏元件上的光量来改变它的电阻或电流，因此也就改变了偏置电路的电压。本发明采用放大器的输入或输出音频信号(相对于音频功率放大器而言)来控制发光元件的光量，使得光敏元件的电流跟随音频信号的强度变化，因此也就导致偏置电压跟随着音信号的强度变化。为了防止交流信号过零时偏置电压也即时下降，在电路中采用了一个电容器来蓄存信号的峰值电压，这就使得偏置电压一旦上升后就不会因信号过零而陡然下降，而是按电容的放电时间常数缓慢下降，在下一个高于电容上即时电压的峰值信号补充进电容时，偏置电压又会再次陡然上升，然后又缓慢下降，如此反复进行，就形成跟随音频信号强度的节奏起伏的动态偏压，因此偏置电压是受音频信号强度的调制的。图4显示了被调制的偏置电压波形与音频信号强度之间的连系，图中的偏压是指加载到未级对管的射极电阻上的偏压部分，其耒级基本电流就是由加在这两个射极电阻上的电压决定的。其中动态偏置电压的每一个峰值都与音频信号的峰值对等，但它的下降曲线总是高于音频信号，这就保证了放大器总是工作在甲类状态，而它动态的基本电流的平均值又大大小于按最大峰值功率输出所设定的同定静态电流，所以能在很大的程度上节省了甲类功率放大器的耗电量。

图5为本发明的基本电路，由信号处理电路、光电耦合器和偏置电路构成，其信号处理电路由信号放大电路和信号峰值蓄存电容以及光电耦合器激励电路组成，而信号处理电路中的放大电路又由一级差分放大电路和二级电流放大组成，交流信号经差分放大后其信号的正半周和负半周分别经过VT4和VT5耦合到VT6，然后蓄存进电容器C2，蓄存在C2上的电量通过发光激励电路的VT7和VT8二级be结向射极电阻R8放电，并激励VT7和VT8推动光电耦合器VD中的发光元件发光，光电耦合器中的光敏元件接受到发光元件的照射而导致通过电流变化，其电流的变化又导致偏置电路中的R9上的电压发生变化，冈此就导致了偏置电压的变化。

附图说明

图1为光电耦合动态甲类偏置电路的组成方框图

图2A是一个现有的偏置电路图

图2B是一个现有的偏置电路图

图3A为光电耦合动态甲类偏置电路原理图

图3B为光电耦合动态甲类偏置电路原理图

图4为动态甲类偏置电压波形与音频信号强度波形的对照图

图5为光电耦合动态甲类偏置电路的基本电路图

图6为光电耦合动态甲类偏置电路实施例电路图

具体实施方式

图5为本发明的基本电路图，具体实施时可在本电路图的基础上灵活变动，如图中的VT7和VT8组成的达林顿管可用一个增强型场效应管代替，而且场效应管的输入电阻极大，用较小的蓄能电容就能获得很长的放电时间，所以还应当在电容上并接一个放电电阻，以获得适当的放电时间。如果所需放电时间不是很长，还可省去VT7这一级放大。

从目前各种类型光电耦合器的性能来看，光敏三极管光电耦合器的高频特性好，电流传输比可达到100％以上，比较适用于本发明。虽然这种光电耦合器的线性不大好，但是由于偏置电路所需产生的偏置电压动态范围不大，从放大器静态时的偏置电压变化到最大峰值输出时的偏置电压一般不超过一倍，只要选择适当参数的光电耦合器，在这么小的范围内的线性还是能够满足要求的。

在电路调试时，调节差分放大电路的恒流源射极电阻RH，以获得恰当的恒定电流，这个电流分别在电阻R5和R6上产生恰当的电位，其电压等于VT4至VT8四个串连的三极管be结正向电压和射极电阻R8上的电压之和，使得VT8在静态(无控制信号)时就有一个基本电流通过光电耦合器，这时偏置电路产生的偏置电压就是功率放大器静态时的偏压，其功率放大器的未级输出管的静态电流大约为几十毫安。

本发明中输入到偏置电路的调制信号的提取方法有两种，一种是从功率放大器的输出端提取输出电流信号，另一种是从功率放大器的输入端提取输入的电压信号。从放大器的输出端提取信号的方法是：在放大器的功率输出回路的接地端串连一个信号采样电阻，其电阻值一般为功放所连接负载阻抗的几十分之一，现有功放所连接的音箱阻抗大多为8欧姆，也有部分为4欧姆等阻抗的，所以串接的取样电阻一般可取0.25欧姆，这与大多数功放的耒级输出管串接的射极电阻是基本相同的，当输出电流的最大峰值为6A时，取样信号的峰值电压为1.5V。从放大器输出端提取信号的优点是偏置电路能够自动适应不同阻抗的负载，不论功放连接那种阻抗的音箱，未级管的动态基本电流总能自动调节到最佳量值。另一种从放大器的输入端提取信号，其优点是信号的相位比输出端信号要超前一些，可补偿信号在处理过程中的延迟，缺点是不能自动适当不同阻抗的负载，需于动调节。

实施例：图6为本实施例的电路图，本实施例从放大器的输出端采集输出电流的信号，信号采样电阻R8与放大器未级射极电阻R5和R7的阻值相同，因此输出电流在采样电阻上产生的压降与射极电阻上的压降是一样的，而电路中的光耦推动管VT14的射极电阻R16的取值与偏置电路中的分压电阻R3的阻值也是相同的，如果光耦的电流传输比为100％的话，那么这两个电阻上的电压也是相同的，所以偏置电压的变量与采样电阻上信号电压的变量以及放大器未级射极电阻上的电压变量总是相等的，这时信号处理电路的电压放大倍数为1倍，但是为了适应电流传输比小于100％的光电耦合器，本电路中的差分放大器的电压放大倍数设计为3倍，并通过电位器RP来调节输入信号的大小，可适应电流传输比大于35％的光电耦合器。通过可变电阻RH来调节恒流源供给差分放大器的电流，使其电流分别在R12和R13上产生适当的电位，其电压就等于三极管VT11至VT14的3级串连be结上的压降之和加上射极电阻R16上的电压，最终调节的是R16上的电压，其结果也是经过光电耦合器的传输调节了偏置电压，调节RH的目的是调整放大器静态时的偏置电压，使得功率功率放大器放大器的未级功率管在无信号输出时就处于正偏压的开启导通态，这时未级管的静态电流大约为50毫安。本实施例的偏置电压峰值衰减时间常数(即蓄存电容C2的放电时间常数)大约为5～10秒，放电时间常数的计算式：τ=C₂R₁₆β_VT14，可通过改变C2的电容量来调整时间常数。

Claims (6)

1.一种光电耦合动态甲态偏置电路，其特征在于把放大器的输入或输出信号经过电路处理后通过光电耦合器和偏置电路转换成跟随信号强度变化的动态偏置电压，并且动态偏压一旦跟随信号强度上升到峰值即被蓄存而不会跟随信号强度即时下降，而是按照电路的放电常数缓慢下降，能保持放大器在绝大部分时间中都工作在甲类状态。

2.光电耦合动态甲类偏置电路由信号处理电路、光电耦合器和偏置电路3个部分组成。

3.如权利2所述的信号处理电路由信号放大电路、信号峰值蓄存电容和发光激励电路组成。

4.如权利2所述的光电耦合器中的发光元件为发光二极管但不限于此，受光元件为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光电池等。

5.如权利2所述的偏置电路中采用一个光敏元件充当偏置电路中的分压电阻，通过改变照射到光敏光件上的光量来调控偏置电路产生动态偏置电压。

6.光电耦合动态甲类偏置电路的输入信号可分别采用从放大器的信号输入端或者功率输出端采样两种方法。