CN1059767C

CN1059767C - 一种功率放大器电路

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Publication number: CN1059767C
Application number: CN95107430A
Authority: CN
Inventors: 沙占起; 沙占为; 沙占友
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-07-07
Filing date: 1995-07-07
Publication date: 2000-12-20
Anticipated expiration: 2015-07-07
Also published as: CN1122970A

Abstract

本发明是一种可直接用于高保真音响设备中的功率放大器电路，其特点是以动态跟随电源电路和动态偏置电路为核心与前级放大电路、激励放大电路、推动级电路、功率输出级电路、稳压电路和电源电路构成，采用直接耦合、互补对称工作方式，使直流电源电压自动随音频信号变化，作纯交流放大，总谐波失真小，带宽内增益不平坦指标好，消除了交越失真与开关失真，信噪比＞90dB，动态范围＞90dB。该功放器电路还可用于广播接收机、电视接收机、通信设备、电子仪器、自动化控制装置。

Description

一种功率放大器电路

本发明涉及基本电子电路，特别是一种高保真音响设备的功率放大器电路。

在音响设备中，功率放大器是音频放大器的组成部分，其最主要的任务是把前置放大器的输入信号进行功率放大以推动负载。功率放大器由输入级、推动级和功放末级组成。在现有高保真音响设备中，功率放大器电路一般采用直接耦合、互补对称式工作方式，推动级的工作电压由恒定的直流电压提供。当有交流信号输入时，功率输出级工作点所建立的静态直流电流，随直流电压的微小波动被叠加到交流信号中进行了放大，造成零点漂移，导致总谐波失真增大。由于推动级采用恒定的工作电压，因此在静态时功率损耗较大，而在大动态信号输入时输出幅度受到限制，使效率无法进一步提高，信噪比、动态范围及频响范围内增益不平坦度指标也将受到影响。

本发明的目的是提供一种能增大功率输出幅度，减小功率损耗，提高频响范围内增益不平坦度指标，减少总谐波失真，提高信噪比，扩大动态范围的功率放大器电路。

为完成发明任务，设计了一种功率放大器电路，由输入级电路、推动级电路、功率输出级电路和电源电路构成，电源电路中电源变压器的次级电压U₂、U₃经桥式整流器UR₁和UR₂产生直流电压+V₁、-V₁作为功率输出级电路的电源电压，电源变压器T的次级电压U₄和U₅分别通过桥式整流器UR₃和UR₄，再分别通过滤波电容C₂₀和C₂₁，再由集成稳压器W₁、W₂产生直流电压+V₂、-V₂，然后又通过集成稳压器W₃、W₄分别产生+V₄、-V₄作为输入级的电源电压；输入级电路包括前级放大电路和激励放大电路，前级放大电路是由三极管VT₁、VT₃和三极管VT₂、VT₄组成的互补对称式NPN型、PNP型差动放大的输入级，信号通过电容器C₁耦合，经差动放大的输入级作互补推挽放大后，送入激励放大电路，激励放大电路由三级管VT₇和VT₈将信号作推挽放大，再送至推动级电路VT₁₁和VT₁₂作推挽放大，然后经过由三极管VT₁₉与VT₂₁、三极管VT₂₀与VT₂₂组成的互补对称式NPN型、PNP型复合管构成的功率输出级电路，完成功率输出任务，该功率放大器电路以动态跟随电源电路和动态偏置电路为核心组成，即用动态跟随电源电路产生的能够自动跟随输入信号幅度发生正比变化的动态直流电源电压，作为推动级和动态偏置电路的工作电源电压，由推动级控制动态偏置电路的开、关过程，再由动态偏置电路控制功率输出级工作点的静态直流电流，

动态跟随电源电路由电容器C₅～C₁₂、电阻器R₁₉～R₂₈，可调电阻器RP₄和RP₅、二极管VD₁和VD₂，三极管VT₁₃-VT₁₆构成，可调电阻器RP₄和电阻器R₂₁构成三极管VT₁₃的基极偏置电路，可调电阻器RP₅和电阻器R₂₂构成三极管VT₁₄的基极偏置电路，激励放大电路输出的信号通过电容器C₅、二极管VD₁、电阻器R₁₉和电容器C₆、二极管VD₂、电阻器R₂₀分别注入到三极管VT₁₃和VT₁₄的基极，三极管VT₁₅的基极接在三极管VT₁₃的发射极上，三极管VT₁₆的基极接在三极管VT₁₄的发射极上，电阻器R₂₃串联R₂₄后与公共零电位连接，构成三极管VT₁₃的发射极负载电阻，电阻器R₂₅串联电阻器R₂₆后与公共零电位连接，构成三极管VT₁₄的发射极的负载电阻，正负输出信号分别取自三极管VT₁₃和VT₁₄的发射极，三极管VT₁₅的发射极为动态跟随电源的正电压+V₃，三极管VT₁₆的发射极为动态跟随电源的负电压-V₃，这两组电源电压是推动级电路和动态偏置电路的工作电源电压。

动态偏置电路由三极管VT₁₇与VT₁₈，二极管VD₃～VD₆，可调电阻器RP₆和电阻器R₁₈及R₂₉-R₃₅构成，其中电阻器R₃₁、R₃₂、RP₆、R₃₃经串联后构成三极管T₁₇、VT₁₈的基极偏置电阻，电阻器R₃₁的另一端接三极管VT₁₇集电极的负载电阻R₂₉。电阻器R₃₃的另一端接三极管VT₁₈集电极的负载电阻R₃₀。电阻器R₃₄串联电阻器R₃₅后与三极管VT₁₉、VT₂₀的基极连接，构成三极管V₁₉、VT₂₀的基极偏置电阻，三极管VT₂₁与VT₁₉为达林顿连接，三极管VT₂₂与VT₂₀亦为达林顿连接。插接在推动级电路和功率放大级电路之间，信号经推动级放大后，还经此动态偏置电路，再送至功率输出级电路，静态调整可调电阻RP₆以导通功率输出级电路，当输入交流信号为正半周时，二极管VD₃处于正向偏置全导通状态，二极管VD₅因反向偏置而截止，切断了功率输出级三极管VT₁₉和VT₂₁的基极工作点的直流通路，使之处于纯交流放大状态，将信号放大输出，其时，二极管VD₄被反向偏置而截止，二极管VD₆处于正向偏置呈导通状态，而三极管VT₁₈提供的偏置电压使三极管VT₂₀和VT₂₂在整个正半周信号过程中保持正向偏置，不会进入截止状态，当输入交流信号为负半周时，二极管VD₄和VD₅导通，二极管VD₃和VD₆截止，信号经功率输出级电路的三级管VT₂₀和VT₂₂放大输出，其时，三极管VT₁₉和VT₂₁保持正向偏置，不会进入截止状态。

本发明功率放大器电路由于是以动态跟随电源电路和动态偏置电路为核心构成，能使直流电源电压自动随着音频信号发生变化，功率放大器作纯交流放大，提高了信噪比，扩大了动态范围，不存在因直流工作点的微小变化被逐级放大所引起的总谐波失真，提高了带宽内增益不平坦度指标，实现了功率放大器的高保真度，并使晶体管不进入截止期，消除了交越失真与开关失真，使总谐波失真＜0.03％，通带不平度±0.02dB(20Hz-20KHZ)，信噪比＞90dB，动态范围＞90dB，转换速度＞60v/μs，功率30W×2。

以下结合附图实施例描述本发明。

图1为本发明框图。

图2为本发明实施例功率放大器电路原理图。

如图1所示，本发明功率放大器电路由电源电路、动态跟随电源电路、稳压电路、前级放大电路、激励放大电路、推动级电路、动态偏置电路和功率输出级电路组成。

如图2所示，在电源电路中，直流电压+V₁、-V₁由电源变压器T的次级电压U₂和U₃通过桥式整流器UR₁和UR₂产生。电容器C₁₆和C₁₇是该直流电源的滤波电容。电容器C₁₄和C₁₅可滤除交流电压的高频杂波。电容器C₁₄接在电源变压器T的次级电压U₂两端，电容器C₁₅接在电源变压器T的次级电压U₃两端，电容器C₁₆接在直流电压+V₁和地线之间，电容器C₁₇接在直流电压-V₁和地线之间，电源变压器T的初级电压U₁接220V、50Hz交流电压。直流电压+V₂、-V₂由电源变压器T的次级电U₄和U₅先通过桥式整流器UR₃和UR₄，滤波电容器C₂₀和C₂₁，再经过集成稳压器W₁和W₂产生。电容器C₁₈接在电源变压器T的次级电压U₄两端，电容器C₁₉接在电源变压器T的次级电压U₅两端，作用与电容器C₁₄和C₁₅相同，电容器C₂₀接在集成稳压器W₁的输入端1和地线之间，电容器C₂₁接在集成稳压器W₂的输入端2和地线之间，电容器C₂₂接在集成稳压器W₁的输出端3和地线之间，输出端3为直流电压+V₂，电容器C₂₃接在集成稳压器W₂的输出端4和地线之间，输出端4为直流电压-V₂。在动态跟随电源电路中，可调电阻器RP₄和电阻R₂₁串接在直流电压+V₂和地线之间，可调电阻器RP₅和电阻R₂₂串接在直流电压-V₂和地线之间，可调电阻RP₅和电阻R₂₂的接点与三极管VT₄的基极相接，形成三极管VT₄的基极偏置电路，三极管VT₁₃的基极经电阻器R₁₉、二极管VD₁、电容器C₅串接在三极管VT₁₁的基极，三极管VT₁₄的基极经电阻器R₂₀、二极管VD₂、电容器C₆串接在三极管VT₁₂的基极上，三极管VT₁₃的集电极接直流电压+V₂，三极管VT₁₄的集电极接直流电压-V₂，电阻器R₂₃和R₂₄串接在三极管VT₁₃的发射极和地线之间，电阻器R₂₅和R₂₆串接在三极管VT₁₄的发射极和地线之间，电阻器R₂₄并联电容器C₇，电阻器R₂₅并联电容器C₈，三极管VT₁₅的基极接三极管VT₁₃的发射极，三极管VT₁₆的基极接三极管VT₁₄的发射极，三极管V₁₅的集电极经电阻器R₂₇接电压+V₂，三极管VT₁₆的集电极经电阻器R₂₈接电压-V₂，三极管VT₁₅的发射极为动态跟随电源的正电压输出端+V₃，三极管VT₁₆的发射极为动态跟随电源的负电压输出端-V₃，电容C₉接在电压+V₃和地线之间，电容器C₁₀接在电压-V₃和地线之间，电容器C₁₁接在电压+V₂和地线之间，电容器C₁₂接在电压-V₂和地线之间。在静态时调整可调电阻器RP₄和RP₅、使电压V₃等于V₁，当有交流信号输入时，信号通过电容器C₅、二极管VD₁、电阻器R₁₉和电容器C₆、二极管VD₂和电阻器R₂₀分别注入到三极管VT₁₃和VT₁₄的基极，使三极管VT₁₃和三极管VT₁₄的集电极电流随交流信号的幅度成正比例关系增大，三极管VT₁₅和VT₁₆发射极的输出电压跟随三极管VT₁₃和VT₁₄产生相应的变化，其变化量与输入信号幅度成正比。在动态偏置电路、推动级电路和功率输出级电路中，电阻器R₁₈接在三极管VT₁₁的发射极和三极管V₁₂的发射极之间，三极管VT₁₁的集电极接电压+V₃，三极管VT₁₂的集电极接电压-V₃，三极管VT₁₁和VT₁₂的基极偏置，由三极管VT₉和VT₁₀组成的恒压源提供，电阻器R₂₉、R₃₁、R₃₂、RP₆、R₃₃、R₃₀串接在电压+V₃和-V₃之间，电阻器R₃₁和R₃₂的接点与三极管VT₁₇的基极连接，可调电阻器RP₆和电阻器R₃₃的接点与三极管VT₁₈的基极连接，电阻器R₂₉和R₃₁的接点与三极管VT₁₇的集电极连接，电阻器R₃₃和R₃₀的接点与三极管VT₁₈的集电极连接，三极管VT₁₇和VT₁₈的发射极与功率输出端U₀连接，二极管VD₃的正向接推动级三极管VT₁₁的发射极，反向接功率输出级复合三极管VT₁₉的基极，二极管VD₄的反向接推动级互补三极管VT₁₂的发射极，正向接功率输出级互补复合三极管VT₂₀的基极，二极管VD₅的正向接三极管VT₁₇的集电极，反向接二极管VD₃的反向，二极管VD₆的反向接三极管VT₁₈的集电极，正向接二极管VD₄的正向，电阻R₃₄和R₃₅串接在二极管VD₃和VD₅的反向与二极管VD₄和VD₆的正向之间，电阻器R₃₆接在三极管VT₁₉的发射极和三极管VT₂₀的发射极之间，三极管VT₁₉和VT₂₁的集电极接电压+V₁，三极管VT₂₀和VT₂₂的集电极接电压-V₁，三极管VT₂₁的基极接三极管VT₁₉的发射极，三极管VT₂₂的基极接三极管VT₂₀的发射极，电阻器R₃₇接在三极管VT₂₁的发射极和功率输出端U₀之间，电阻器R₃₈接在三极管VT₂₂的发射极和功率输出端U₀之间。在静态时调整可调电阻器RP₆，使功率输出级复合三极管VT₁₉和VT₂₁、互补复合三极管VT₂₀和VT₂₂呈导通状态，当输入交流信号为正半周时，A点电位U_A升高，二极管VD₃处于正向偏置呈导通状态，B点电位U_B随U_A升高，使得C点电位U_C低于电位U_B，二极管VD₅因反向偏置而截止，切断了功率输出级三极管VT₁₉和VT₂₁基极工作点的直流通路，此时三极管V₁₉和VT₂₁处于纯交流放大状态，信号经三极管VT₁₉和V₂₁放大输出。在交流信号的正半周过程中，D点电位U_C随电位U_A升高，使二极管VD₄反向偏置而截止，二极管VD₆处于正向偏置呈导通状态。由三极管VT₁₈提供的电位U_B2这一恒定的偏置电压，使三极管VT₂₀基极的瞬时电位在随放大器输出电压U₀的升高而浮动时，其值总比电压U₀低一个电位U_B2值，使三极管VT₂₀和VT₂₂在整个正半周信号过程中一直保持由电位U_B2提供的正向偏置，不会进入截止状态。输入交流信号为负半周时的情况与上述类似，不同之处是二极管VD₄和VD₅导通，VD₃和VD₆截止，信号经三极管VT₂₀和V₂₂放大输出，三极管VT₁₉和VT₂₁由电位U_B1提供正向偏置使之不会进入截止状态。电容器C₁的一端为信号输入端，另一端与电阻器R₁、三极VT₁、VT₂的基极连接，电阻器R₁的另一端与地线连接，三极VT₁的集电极经电阻器R₂接在集成稳压器W₃的输出端7上，输出端7为电压+V₄，三极管VT₂的集电极经电阻器R₃接在集成稳压器W₄的输出端8上，输出端8为电压-V₄，三极管VT₁的发射极经电阻器R₅和R₆串接在三极管VT₃的发射极上，三极管VT₃和VT₄的基极经电阻器R₁₂接在功率输出端U₀上，三极管VT₃的集电极经电阻器R₁₀接在集成稳压器W₃的输出端7上，三极管VT₄的集电极经电阻器R₁₁接在集成稳压器W₄的输出端8上，三极管VT₆的漏极接在电阻器R₂和R₁₀的接点上，源极经可调电阻器RP₁和电阻器R₄串接在电阻器R₇和R₈的接点上，三极管VT₆的漏极接在电阻器R₃和R₁₁的接点上，源极经可调电阻器RP₂和电阻器R₉串接在电阻器R₅和R₆的接点上，三极管VT₅的栅极接在可调电阻器RP₁和电阻器R₄的接点上，三极管VT₆的栅极接在可调电阻器RP₂和电阻器R₉的接点上，三极管VT₇的基极接在三极管VT₁的集电极与电阻器R₂的接点上，三极管VT₈的基极接在三极管VT₂的集电极与电阻器R₃的接点上，三极管VT₇的发射极经电阻器R₁₃接在集成稳压器W₃的输出端7上，三极管VT₈的发射极经电阻器R₁₄接在集成稳压器W₄的输出端8上，电阻器R₁₅、R₁₆、可调电阻器RP₃、电阻器R₁₇串接在三极管VT₇的集电极和三极管VT₈的集电极之间，电阻器R₁₅并联电容器C₂，电阻器R₁₇并联电容器C₃，三极管VT₉的基极接在电阻器R₁₅和R₁₆的接点上，三极管VT₁₀的基极接在可调电阻器RP₃和电阻器R₁₇的接点上，三极管VT₉的集电极接在三极管VT₇的集电极与电阻器R₁₅的接点上，三极管和VT₁₀的集电极接在三极管VT₈的集电极与电阻器R₁₇的接点上，三极管VT₉的发射极接三极管VT₁₀的发射极，电容器C₄接在三极管VT₉的集电极和三极管VT₁₀的集电极之间，电容器C₂₄接在集成稳压器W₃的输出端7和地线之间，电容器C₂₅接在集成稳压器W₄的输出端8和地线之间，集成稳压器W₃的输入端5接+V₂，集成稳压器W₄的输入端6接电压-V₂，推动级三极管VT₁₁的基极接三极管VT₉的集电极，推动级互补三极管VT₁₂的基极接三极管VT₁₀的集电极。由三极管VT₁和VT₃组成NPN型差动输入级，VT₂和VT₄组成PNP型差动输入级，三极管VT₆和VT₅分别是这两个差动输入级的恒流源。信号通过电容器C₁的耦合由三极VT₁和VT₂的基极输入，负反馈则加到三极管VT₃和VT₄的基极上。输入信号经差动放大级作互补推挽放大后，从三极管VT₁和VT₂的集电极分别输出，并送往激励放大级三极管VT₇和VT₈作推挽放大，该级输出信号经三极管VT₁₁和V₁₂作推动放大，被放大的信号经过动态偏置电路后，再送给三极管VT₁₉和VT₂₁组成的NPN型复合管与三极管VT₂₀和VT₂₂组成的PNP型复合管，由这两组全互补对称的复合管共同完成功率输出任务。调整可调电阻器RP₁和RP₂可改变差动放大级的静态直流电流和功率输出端U₀的零点电位，由三极管VT₉和V₁₀互补组成的恒压源给三极管VT₁₁和VT₁₂提供了一个恒定的偏置电压，调整可调电阻器RP₃改变三极管V₁₁和VT₁₂的静态直流电流。

在本发明实施例中，电压V₂值比V₁值高10-20V；电压V₃的V_3max＝V₁+8～18V，V_3min＝V₁；功率输出级三极管VT₁₉和VT₂₁与VT₂₀和VT₂₂的静态集电极电流10-20mA。

本发明以动态跟随电源电路和动态偏置电路为核心组成的高保真音频功率放大器，其实测技术指标为：(1)总谐波失真为0.01％(额定功率输出)；(2)频响范围为20Hz-20kHz(在总谐波失真为0.01％、额定功率输出下)；(3)频响范围内(20Hz-20kHz)的增益不平坦度为±0.01dB；(4)信噪比为94dB；(5)动态范围是93dB；(6)转换速率为70V/μs；(7)额定输出功率为30W×2。

以动态跟随电源电路和动态偏置电路为核心的功率放大器电路可以组成高保真音频功率放大器、高频功率放大器，还能组成广播接收机、电视接收机、通信设备、电子仪器、自动化控制装置、电子设备中的功率放大器。

Claims

一种功率放大器电路，由输入级电路、推动级电路、功率输出级电路和电源电路构成，电源电路中电源变压器的次级电压U₂、U₃经桥式整流器UR₁和UR₂产生直流电压+V₁、-V₁作为功率输出级电路的电源电压，电源变压器T的次级电压U₄和U₅分别通过桥式整流器UR₃和UR₄，再分别通过滤波电容C₂₀和C₂₁，再由集成稳压器W₁、W₂产生直流电压+V₂、-V₂，然后又通过集成稳压器W₃、W₄分别产生+V₄、-V₄作为输入级的电源电压；输入级电路包括前级放大电路和激励放大电路，前级放大电路是由三极管VT₁、VT₃和三极管VT₂、VT₄组成的互补对称式NPN型、PNP型差动放大的输入级，信号通过电容器C₁耦合，经差动放大的输入级作互补推挽放大后，送入激励放大电路，激励放大电路由三级管VT₇和VT₈将信号作推挽放大，再送至推动级电路VT₁₁和VT₁₂作推挽放大，然后经过由三极管VT₁₉与VT₂₁、三极管VT₂₀与VT₂₂组成的互补对称式NPN型、PNP型复合管构成的功率输出级电路，完成功率输出任务，其特征在于：所说的功率放大器电路以动态跟随电源电路和动态偏置电路为核心组成，即用动态跟随电源电路产生的能够自动跟随输入信号幅度发生正比变化的动态直流电源电压，作为推动级和动态偏置电路的工作电源电压，由推动级控制动态偏置电路的开、关过程，再由动态偏置电路控制功率输出级工作点的静态直流电流，

动态跟随电源电路由电容器C₅～C₁₂、电阻器R₁₉～R₂₈，可调电阻器RP₄和RP₅、二极管VD₁和VD₂，三极管VT₁₃-VT₁₆构成，可调电阻器RP₄和电阻器R₂₁构成三极管VT₁₃的基极偏置电路，可调电阻器RP₅和电阻器R₂₂构成三极管VT₁₄的基极偏置电路，电阻器R₂₃串联R₂₄后与公共零电位连接，构成三极管VT₁₃的发射极负载电阻，电阻器R₂₅串联电阻器R₂₆后与公共零电位连接，构成三极管VT₁₄的发射极的负载电阻，正负输出信号分别取自三极管VT₁₃和VT₁₄的发射极，激励放大电路输出的信号通过电容器C₅、二极管VD₁、电阻器R₁₉和电容器C₆、二极管VD₂、电阻器R₂₀分别注入到三极管VT₁₃和VT₁₄的基极，三极管VT₁₅的基极接在三极管T₁₃的发射极上，三极管VT₁₆的基极接在三极管VT₁₄的发射极上，三极管VT₁₅的发射极为动态跟随电源的正电压+V₃，三极管VT₁₆的发射极为动态跟随电源的负电压-V₃，这两组电源电压是推动级电路和动态偏置电路的工作电源电压，

动态偏置电路由三极管VT₁₇与VT₁₈，二极管VD₃～VD₆，可调电阻器RP₆和电阻器R₁₈及R₂₉-R₃₅构成，其中电阻器R₃₁、R₃₂、RP₆、R₃₃经串联后构成三极管T₁₇、VT₁₈的基极偏置电阻，电阻器R₃₁的另一端接三极管VT₁₇集电极的负载电阻R₂₉，电阻器R₃₃的另一端接三极管VT₁₈集电极的负载电阻R₃₀。电阻器R₃₄串联电阻器R₃₅后与三极管VT₁₉、VT₂₀的基极连接，构成三极管V₁₉、VT₂₀的基极偏置电阻，三极管VT₂₁与VT₁₉为达林顿连接，三极管VT₂₂与VT₂₀亦为达林顿连接，插接在推动级电路和功率放大级电路之间，信号经推动级放大后，还经此动态偏置电路，再送至功率输出级电路，静态调整可调电阻RP₆以导通功率输出级电路，当输入交流信号为正半周时，二极管VD₃处于正向偏置全导通状态，二极管VD₅因反向偏置而截止，切断了功率输出级三极管VT₁₉和VT₂₁的基极工作点的直流通路，使之处于纯交流放大状态，将信号放大输出，其时，二极管VD₄被反向偏置而截止，二极管VD₆处于正向偏置呈导通状态，而三极管VT₁₈提供的偏置电压使三极管VT₂₀和VT₂₂在整个正半周信号过程中保持正向偏置，不会进入截止状态，当输入交流信号为负半周时，二极管VD₄和VD₅导通，二极管VD₃和VD₆截止，信号经功率输出级电路的三级管VT₂₀和VT₂₂放大输出，其时，三极管VT₁₉和VT₂₁保持正向偏置，不会进入截止状态。