CN1050718C - 固态的真空管式压缩电路 - Google Patents

Abstract

用来模仿过偏置乙类推挽真空管放大器的压缩现象，以产生出现过零失真时的输出限幅特性的固态放大器。含有至少一对乙类连接的固态装置，各装置有一输入电路和一输出电路。各输出电路的布局可使二输出混合。成对固态装置中的各装置的输入电路中的偏置元件在各装置的输入和输出电路中建立限幅电平的偏移。输入和输出电路中的限幅元件分别对各装置的输入电路和输出电路中的偏移限幅。当输入信号大于输入限幅元件的限幅值时充电元件使输入电路中的偏移过偏置。

Description

固态的真空管式压缩电路

本发明涉及在功率放大器中用固态器件替代真空管。具体地说，本发明涉及一种能模仿真空管功率放大器的压缩现象的固态电路。

真空管压缩现象发生在每当真空管功率放大器被驱动到硬限幅状态的时候。一般情形下，被驱动到硬限幅状态的固态放大器将产生刺耳的奇次谐波失真(方波失真)。相反地，真空管放大器会压缩信号使电平减小，所以听起来不那么刺耳和令人不快。其结果是，发出的声响比较低柔，但仍然具有乐器师所谓的“冲劲”。因此，按照大多数重金属乐器师和低音吉他手们的观点，压缩现象是一种使真空管功率放大器优于普通固态功率放大器的音乐功能，在出现限幅现象时更是如此。

上面是对于称之为增加的过零失真现象的一种非技术性描述。每当输出真空管的栅极被相对于阴极正向驱动从而使它变成一个简单的正向偏置二极管时，在所有的真空管功率放大器设计中都会存在这个功能。

在典型的推挽式电路中利用了两个乙类偏置的真空管，在每个推挽输出级中的二极管使得平均偏置电平在高信号电平下增加，迫使乙类偏置的真空管变为过偏置。这一情形使输出信号具有严重的过零失真，即信号的过零点被大为延迟。

图1示出了在许多常用型号中使用的一种典型的真空管功率放大器10。下面先说明该典型电路的工作过程，然后说明超载(或真空管压缩现象)的情形。

在图1中，输入信号经过耦合电容11耦合到真空管12(例如12A×7)的栅极上，该真空管12和真空管14构成了所谓长跟随倒相电路。如图所示，该电路中真空管12和14的阴极是连在一起的。因此，对于真空管12的输入栅极来说，真空管12工作在阴极接地模式，而真空管14工作在栅极接地模式。从而，在12和14的板极上出现了大小相同但相位不同的信号。倒相器的目的就是为乙类偏置的推挽输出真空管16和18提供两个相位不同的信号。

阴极电阻20为真空管12和14设置偏压。栅极电阻22和24分别是栅极偏置电阻。电阻26是一个公共的阴极电阻。电阻28用来从输出端引入反馈，以减小总体失真。根据栅极接地工作的需要，真空管14的栅极经过电容30与地(在本情形中是与低阻抗反馈点)连接。负载电阻32和34分别是真空管12和14的板极负载。板极信号分别通过电容36和38耦合给输出真空管16和18。

各个输出真空管的栅极分别通过偏置电阻40和42连接在一个负偏压电源(例如-55V)上。该-55V的供电由本电路的外部电源产生，并经过电容44的适当滤波。选择-55V是因为它是能使输出真空管16和18(例如6L6GC)被适当偏置的值，即在低信号电平下能以最小的过零失真在乙类模式下良好地工作。

关于该电路的其余部分，电阻46是一个反馈电阻；电阻48和50是电源退耦电阻；电容52、54和56是B+电路中各个电源的滤波电容。最后，变压器60是一个普通的真空管推挽输出变压器，在本情形中它有8Ω和4Ω两个输出抽头。该功率放大器10对于匹配的负载值可以提供约50WRMS(均方根瓦)的输出。

对于所有低于造成输出限幅的信号电平(输出波形干净无失真)，每个输出真空管16和18的栅极上的信号电平远小于55V的峰值摆动量，于是每个输出真空管栅极上的平均直流偏置电平为-55V。当开始出现或更多出现限幅现象时，每个输出真空管栅极上的信号电平将超过55V的峰值摆动量。这样，每当出现正向的峰值信号时，栅极将相对于阴极正向偏置。而每当栅极被驱动得相对于阴极为正电平时，它就简单地变得像一个正向偏置的二极管。由于对正向峰值摆动的限幅，每个输出真空管16和18的栅极上的平均负值直流偏置电压就要以正比于高于限幅值的超载输入值的方式增加。这样，输出真空管16和18变成超过乙类偏置的过偏置，在存在严重输出限幅的同时产生了大的过零失真。其结果是，在超载情形下，真空管放大器10的输出信号将在峰值处被限幅。不过，由于大部分超载输出波形被限制在或被压缩在具有严重过零失真的区域内，所以其输出信号不会像工作在同样条件下的典型固态功率放大器那么“脏”。对于音乐师来说，这种波形比超载下的固态放大器明显更具有“音乐性”，并且较为“干净”(即较不刺耳)。由于压缩现象(即失真靠近过零点)，实际的峰值输出限幅被减小，于是远比固态放大器的失真可以容忍。这种现象就是真空管功率放大器的压缩现象。

本发明的目的是提出一种固态放大器，用来模仿与由于在高输入信号电平下有电流流经输出真空管的栅极而造成过偏置的乙类推挽真空管放大器相关联的压缩现象，从而产生出现过零失真时所希望的输出限幅特性。

根据本发明的固态放大器含有至少一对以乙类方式布局的固态放大装置。每个装置都有一个输入电路和一个输出电路。两个输出电路的布局可以使两个输出相混合。成对固态放大装置中的每一个装置的输入电路中的偏置装置在各个装置的输入电路和输出电路中建立限幅电平的偏移。输入电路和输出电路中的限幅装置使各自的固态放大装置的输入电路中的偏移和输出电路中的偏移受到限幅。每当输入信号大于上述输入限幅装置的限幅电平时，充电装置使输入电路中的偏移过偏置，上述过偏置引起过零失真，以模仿所需的与真空管放大器相关连的压缩现象。

图1是已知乙类真空管放大器电路的原理图；

图2是根据本发明模仿真空管压缩的固态放大器的原理图；

图3A-3F是说明本发明对真空管放大器压缩的模仿的波形图。

本发明的固态模仿器100如图2所示。输入信号通过耦合电容104耦合到运算放大器(OP AMP)102上，输入端还有一个提供对地参考的电阻106。放大器102的输出驱动含有一对乙类偏置推挽式连接的模仿运算放大器110U和110L的上电路U和下电路L。运算放大器电路110U和110L都是一个单位增益放大级，它们分别模仿图1所示推挽式真空管功率放大器10中的两个输出真空管16和18。除了下面要讨论的关于二极管的方向之外，运算放大器模仿器电路110U和110L是相同的。于是，只有在需要区分的地方才使用元件代号的标准“U”和“L”。下面先讨论上电路U，然后讨论下电路L中的差别。

在上电路U中，放大器102的输出经过电阻112和电容114耦合给放大器110。在放大器110的输入端有一个二极管116接地。在上偏置电路119上连接有一个电阻118，该偏置电路119包括并连的二极管120和电阻122，它们一端接地，一端通过串连的电阻124接到-15V电源上。放大器110的输出经过电阻128施加在二极管126上。二极管126上的信号(即上电路U的输出)通过电阻130U和130L与来自下电路L的信号相混合。然后，混合的输出被输出放大器132放大，该放大器是一个非倒相的增益放大级，带有反馈电阻134、包括电容136和串连电阻138的接地电路，和输出耦合电容140。为了提供较大的电压摆动范围，二极管120和126都可以是串连的多个二极管(未画出)。

在所示的典型实施例中，上偏置电路119在二极管120负极上产生-0.6V的电压，该偏压通过电阻118被加在放大器110的输入端。该-0.6V的输入偏压使放大器110的输出偏移了相同的大小。而且，这个偏移量又通过电阻128加到了二极管126上。这样，在静态时输出电路二极管126被偏置得稍有正向导通。除了二极管116L、120L和126L的方向与二极管116U、120U和126U是相反的或相补的以外，下模仿电路L和上电路U是相同的。所有其他元件都是相同的。

一个例如峰值为1V的正弦波那样的低电平输入信号经过电阻112和电容114被耦合到上电路U中的放大器110U的输入电路上。输入被偏移了直流-0.6V。所加信号的负峰值为-1.6V，正峰值为+0.4V。负极接地的二极管116在负峰值摆动时被反向偏置，而在正峰值摆动时被正向偏置。然而，由于二极管在+0.6V时才开始导通，而正峰值摆动只有+0.4V，所以二极管116在正向摆动时并不导通。由于放大器110具有单位增益，所以在其输出端有相同的信号摆动。然后该输出信号被加到输出电路中的二极管126上，如前所述，该二极管在静态下已被偏置为稍有正向导通。从而，由于二极管126对负向摆动是正向偏置的，于是它将对负向摆动限幅，另一方面，由于对正向摆动它的偏置低于0.6V的正向偏置，实际上它最终是反向偏置的，所以它允许正向摆动通过。结果波形如图3A中的曲线IU所示。该波形在正方向是干净的半正弦波，在负方向是被限幅的半正弦波。

除了所有二极管都反向连接之外，利用下放大器110L的下模仿电路L是相同的，由二极管120L、电阻118L、112L和124L组成的下偏置电路119L在下二极管126L的正极上产生+0.6V(0.6V是典型的二极管正向压降)。在下电路L中偏置是通过电阻118L施加在下放大器110L的输入端上的。然后该+0.6V的输入端偏置也使放大器110L的输出偏移相同的电压。还有，该偏移量通过电阻128被加在二极管126上。这样，在静态时二极管126被偏置得稍有正向导通。于是，在该下模仿器电路L上加一个峰值为1V的正弦波时的情况将与上模仿器电路U的情况相反。其结果是，在负方向上产生一个干净的半正弦波，在正方向上产生一个被限幅的半正弦波。该波形如图3A中的曲线IL所示。这两个模仿波形IL和IU在节点131处混合在一起，产生如图3C所示的相对干净的正弦波。为了看出这两个波形是如何结合的，图3B画出了重叠在一起的IL和IU波形。

对于在上电路U中输入例如峰值为3V的正弦波的高电平信号的情形，输入信号通过电阻112和电容114耦合到上放大器110的输入端。该输入被偏移直流-0.6V。如果没有二极管116，则加上去的信号的负峰值将是-3.6V，正峰值将是2.4V。然而，对于存在负极接地的二极管116的情形，该二极管在负峰值摆动时被反向偏置，在正峰值摆动时被正向偏置。这样，由于峰值摆动大于+0.6V，所以二极管116在正向时导通。从而，二极管116把峰值摆动限制为+0.6V，因而使正向波形受到一定程度的限幅。电容114在负方向时充电，使峰值为3V的正弦波以0.6V的正向峰值和约-4.6V的负向峰值通过。在这一情形下，平均偏压不再是直流-0.6V，而是直流-1.6V。因此，对于这种信号条件，上模仿器电路U被过偏置。

如上所述，由于放大器110是单位增益放大级，在它的输出端将出现与输入端相同的信号摆动。然后该信号被施加给输出二极管126，由于过偏置条件该二极管在过零点方面已经被偏置成深度的正向导通。因此，二极管126对负向摆动限幅(因为对负向摆动而言该二极管是正向偏置的)，并且对正向摆动的过偏置部分限幅。这样，二极管126允许正向摆动的其余部分通过，因为对于这一部分它有低于0.6V的正向偏置以及其后最终的反向偏置。从而，结果信号是非对称的，其负向摆动的时间比正向的要长。这个波形如图3D的曲线IIU所示。该信号有很大的不对称性，在正方向是一个被部分限幅的半正弦波，在负方向是一个被完全限幅的半正弦波。

除了所有二极管的连接方向都相反以外，利用下放大器110的下模仿器电路L和上电路是相同的。所以很明显，在下模仿器电路L施加3V峰值的正弦波的情形将与上电路的情形相反。其结果是得到在负方向被部分限幅的半正弦波和在正方向被完全限幅的半正弦波，同样有很大的不对称性。该波形如图3D的曲线IIL所示。这两个模仿的波形在节点131处混合在一起，产生带生很大过零失真的限幅正弦波，如图3F所示。为了看出这两个波形是如何结合的，图3E画出了重叠在一起的IIU和IIL。

指出图1和图2电路中执行相同功能的或者以相同方式工作的元件是有用的：

1、电阻32和34(真空管)和电阻112U和112L(固态)是用于限幅功能的源电阻。

2、36，38(真空管)和114U，114L(固态)是用于充电成过偏置的耦合电容。

3、40，42(真空管)和118L，118U(固态)是偏压源电阻。

4、16的栅极，18的栅极(真空管)和二极管116U，116L(固态)提供输入限幅机制。

5、推挽式连接的16，18(真空管)和二极管126L，126U(固态)有如下对应关系。在真空管放大器中，每个输出真空管向输出端提供一个方向的信号摆动；在固态放大器中，二极管去除不需要的方向的输出摆动。在真空管放大器中，输入信号被分解成两个不同相位的信号，以通过输出变压器驱动以推挽方式连接的两个相同的真空管；在固态放大器中，同样的输入信号被施加给有相反极性的两个模仿器，并且它们的输出信号被相加。

最后，真空管压缩现象有一定的建立和衰退过程，即压缩现象发生得有多快以及要多久才会停止。固态模仿器100以类似的方式工作。此外，根据输入波形的不同，在真空管放大器中不同的过偏置条件有可能在每个信号半周期上发生。类似地，固态模仿器100也能够以相似的方式过偏置。

尽管这里只对本发明的目前认为是优选的实施例进行了说明，但是对于熟悉本技术的人们来说，显然可以在不偏离本发明的情况下做出各种变化和修改，在后附的权利要求中试图涵括属于本发明的精神和范畴的变化和修改。

Claims (10)

1、一种用来模仿与由于在高输入信号电平下有电流流经输出真空管的栅极而造成过偏置的乙类推挽真空管放大器相关联的压缩现象，从而产生出现过零失真时所希望的输出限幅特性的固态放大器，它包括：

至少一对以乙类方式连接的固态放大装置，每个装置含有一个输入电路和一个输出电路，上述至少一对装置的输出电路的布局可以使两个输出相混合；

成对固态放大装置中的每个装置的输入电路中的偏置装置，与固态放大装置的输入端相连接，用来在各个装置的输入电路和输出电路中建立限幅电平的偏移；

输入电路和输出电路中的限幅装置，分别与固态放大装置的输入端和输出端相连接，用来对各个固态放大装置的输入电路的偏移和输出电路的偏移进行限幅；

充电装置，与固态放大装置的输入端相连接，用来在每当输入信号大于上述输入限幅装置的限幅电平时使输入电路中的偏移过偏置，上述过偏置引起过零失真，以模仿所希望的与真空管放大器相关连的压缩现象。

2、根据权利要求1的放大器，其中在所述固态放大装置对的输入电路中的二极管偏置装置包括互补的二极管。

3、根据权利要求1的放大器，其中在每个固态放大装置的输入电路中的偏置装置含有与输入电路相连接的一个二极管和一个电阻网络。

4、根据权利要求1的放大器，其中输入电路和输出电路中的限幅装置包括连接方式互补的二极管。

5、根据权利要求1的放大器，其中的固态装放大装置包括运算放大器。

6、根据权利要求1的放大器，其中的充电装置包括每个圆态放大装置的输入电路中的一个电阻电容网络。

7、根据权利要求1的放大器，它进一步包括与每个固态放大装置的输入电路公共连接的输入放大器装置。

8、根据权利要求1的放大器，它进一步包括用来接收各输出电路的混合输出的公用输出放大器装置。

9、根据权利要求1的放大器，其中输入电路中的偏移量等于至少一个二极管压降，并且输出电路中的偏移量等于上述至少一个二极管压降。

10、根据权利要求1的放大器，其中每个固态放大装置的增益为1。

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