CN1076564A

CN1076564A - 一种互补共模稳流复合射极电压跟随器

Info

Publication number: CN1076564A
Application number: CN 93100353
Authority: CN
Inventors: 杨思平
Original assignee: 5TH RADIO COMPONENTS FACTORY OF TIANJIN
Current assignee: 5TH RADIO COMPONENTS FACTORY OF TIANJIN
Priority date: 1993-01-19
Filing date: 1993-01-19
Publication date: 1993-09-22
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: CN1025093C

Abstract

本发明为一种互补共模稳流复合射极电压跟随器，适用于晶体管甲乙类声频功率放大器输出部分，其组成两只由六只晶体管以三只为一组、各自对应成员管全互补对称构成的复合管、两只串接在末级或末前级晶体管集电极回路中的电流取样器、一只“与”电路和一只可变偏压器、一只相位校正器。它的每只复合管基极与发射极间只有一个BE结、发射极与负载间的直流电阻值为零。

本发明优点是其输出电阻很小、失真小，不用大环路负反馈实现高保真声频功率放大。

Description

本发明涉及声频推挽功率放大器用的电压跟随器，尤其是一种互补共模稳流复合射极电压跟随器。

现有的晶体管甲乙类声频功率放大器输出部分大都用的复合电压跟随器，一般由二只或三只晶体管组成的复合管来担任。该复合管的基极（B）和发射极（E）之间，一般存在二个或三个串联的成员晶体管的BE结（PN结）;复合管的发射极和负载扬声器之间还存在使其复合管静态工作电流稳定而设置的发射极电阻R_E。这就使得复合跟随器的输出电压U_o和输入电压U_i之间相差二个或三个BE结的交流电压降和一个电阻R_E上的交流电压降之和。由于各BE结，尤其是输出功率管的BE结的电压电流特性为非线性的，所以输出电压U_o和输入电压U_i相比，差别比较大或者说谐波失真较大。另外该跟随器的输出电阻也较大。

例如中国专利公开号“CN1035214A低失真放大技术”中的图63、图66所述及的复合电压跟随器，对被放大的声频信号而言的等效电路，均如图1所示，这是现有一般声频功放中的具有代表性的复合射极跟随器。从图1可以看出，以信号的正半周为例：

U_o＝U_i-（U_BE1+U_BE3+U_RE）

即输出电压U_o和输入电压U_i之间相差上式括号中的三项。其中U_BE1是晶体管T₁的BE结交流电压降;U_BE3是末级晶体管T₃的BE结交流电压降;U_RE是复合管射极电阻R_E上的交流电压降。由于U_BE3的数值不容忽略且是非线性的，所以U_o和U_i相比失真较大。另外输出电阻起码大于R_E的阻值，不太可能对扬声器提供足够的阻尼。为了改善上述复合跟随器本身的失真和减小本身的输出电阻，常常需要使用大环路负反馈措施，从而也就可能带来大环路负反馈的各种有害的副作用，例如各种动态互调失真及接口互调失真等等。

鉴于上述背景技术，本发明的目的是提供一种互补共模稳流复合射极电压跟随器，其组成部分包括：

两只由六只晶体管以三只为一组、各自对应成员管全互补对称构成的复合晶体管，其连接法是前级两只晶体管的基极接信号源集电极分别接末前级两只晶体管基极、发射极接末前级和末级晶体管的集电极和输出端，其末前级晶体管发射极分别接末级两晶体管基极，其末级两晶体管发射极分别接电源正极和负极;

两只电流取样器，根据本跟随器共模电流控制部分电流取样点的不同，被串接在上述末级晶体管集电极回路中，或者上述末前级晶体管集电极回路中;

一只相位较正器，被串接在上述末级晶体管集电极回路中的两只电流取样器公共接点与上述前级晶体管发射极末前级晶体管集电极之间，或者串接在上述末级晶体管集电极和末前级晶体管集电极回路中的两只电流取样器公共接点、前级晶体管发射极之间;

一只接在上述前级两只晶体管基极之间的、其中点接信号源的、且其偏压数值受控制端控制的可变偏压器;

一只接在上述两只电流取样器输出端和上述可变偏压器控制端之间的“与”电路。

从本发明组成中，不难看出它由二只复合晶体管分别工作于信号的正、负半周，每只复合晶体管的基极（B）与发射极（E）之间只有一个BE结（PN结），并且两只复合管中的各自对应成员管全互补对称连接、复合管的发射极（E）与负载之间的直流电阻为零值、其末级晶体管的信号电流是由其集电极输出流至负载，并且本跟随器的工作点电流是通过互补共模电流负反馈稳定。

本发明的优点是其本身输出电阻很小、本身失真很小，可以不必采用大环路负反馈技术就能实现高保真声频功率放大，从而可以消除或大大减轻大环路负反馈带来的诸种有害的副作用。

下面将结合附图对本发明作详细描述。

图1、图2为现有的晶体管甲乙类声频功率放大器输出部分大都使用的复合电压跟随器电路图。

图3为本发明中的两只复合晶体管的电路图和本发明对声频信号的等效电路图。

图4为本发明实施例1的电路图和说明书摘要附图。

图5为本发明实施例2的电路图。

图6为图4中电流取样器

电路图。

图7为图4中电流取样器

电路图。

图8为图4、图5中“与”电路

电路图。

图9为图4、图5中可变偏压器电路图。

图10为图4、图5中相位校正器电路图。

图11为图5中电流取样器电路图。

参照图3，便知本发明中两只复合晶体管是由六只晶体管以三只为一组（T₁、T₃、T₅，T₂、T₄、T₆）、各自对应成员管全互补对称连接而成，其中晶体管T₁、T₄、T₆为NPN晶体管，T₃、T₅、T₂为PNP晶体管，其连接法是前级两只晶体管T₁、T₂的基极接号源U_i、集电极分别接末前级两只晶体管T₃、T₄基极、发射极接末前级两只晶体管T₃、T₄和末级晶体管T₅、T₆集电极及输出端V_o，其末前级晶体管T₃、T₄的发射极分别接末级两只晶体管T₅、T₆的基极，其末级两只晶体管T₅、T₆的发射极分别接电源正极+E和负极-E。

在图3中，对于正半周工作的复合管（上面虚线方框），晶体管T₁的基极作为该复合管的基极（B），晶体管T₁的发射极作为该复合管的发射极（E），晶体管T₅的发射极作为该复合管的集电极（C）。在负半周工作的复合管（下面虚线方框）类同。

从图4可知，本发明实施方案一的电路是在图3电路的末级晶体管T₅、T₆集电极回路中串接两只电流取样器

和

（图6和图7）;在电流取样器与

的公共接点和前级晶体管（T₁、T₂）发射极，末前级晶体管T₃、T₄集电极之间接有一只相位校正器

（图10）;在电流取样器的输出端与可变偏压器

的控制端之间接有一只“与”电路

（图8）;在前级两只晶体管T₁、T₂的基极之间接有一只可变偏压器

（图9），它的中点V_i接信号源，它的偏压数值可由控制端子K₁、K₂控制。

从图5可知，本发明实施方案二的电路是与其方案一电路基本上一致，其不同之处是在其电路末前级晶体管T₃、T₄集电极回路中串接有两只结构相同的电流取样器

与

（图11）;在其末级晶体管T₅、T₆的集电极和电流取样器公共接点、前级晶体管T₁、T₂发射极之间、串接有一只相位校正器

（图10）。

在图4中，电流取样器

的电路，如图6所示，它由电阻R₇和稳压管D₁并联而成，D₁的负极称为Q₁端，接晶体管T₅集电极，D₁的负极还兼作

的输出端q₁，D₁的正极称为Q₂，接本复合射随器的输出端V_o，电阻R₇阻值选用10-50Ω。D₁的齐纳电压值选用V₂＝1～3V，D₁的电流容量大于晶体管T₅的最大电流。

电流取样器电路，如图7所示，由电阻R₈和稳压管D₂并联而成，D₂的负极为Q₃端，接输出端V_o，D₂的正极为Q₄端，接晶体管T₆集电极，D₂的正极还兼作

的输出端q₄，其中R₈＝R₇、D₂与D₁同型号。

电流取样器

与

的输出电压与被取样的电流之间的关系是非线性的。

“与”电路

（图8）由一只NPN小功率硅晶体管T₇和一只PNP小功率硅晶体管T₈及四只电阻R₃、R₄、R₅、R₆组成，T₇的发射极接R₃的一端，T₈的发射极接R₃的另一端，T₇的基极接R₄的一端再接R₅的一端，T₈的基极接R₄的另一端再接R₆的一端，R₅的另一端称Y₁端，接电流取样器

的Q₁端，R₆的另一端称Y₂，接电流取样器

的Q₄端，晶体管T₇的集电极称C₇端，接可变偏压器

的b₁端（图9），晶体管T₈的集电极称C₈端，接可变偏压器

的b₂端，其中R₃＝10-20Ω，R₄＝0.5-1kΩ，R₅＝R₆，R₆的值应满足下式：

（ (V₂R₄)/2.4 - 1/2 R₄)＜R₆＜(V₂R₄-0.6R₄)/1.2

这原本是一种变型的互补差动放大器，现在借称它为“与”电路，是因为如下的原因：如果NPN管T₇的基极电位变正与PNP管T₈的基极电位变负同时存在（即T₇与T₈均有输入）的话，那么T₇、T₈的集电极电流就会一起增大。

图4电路中的可变偏压器

，如图9所示，由直流恒流源I₁、I₂和电阻R₁、R₂串联组成，串联的次序依次为I₁、R₁、R₂、I₂、R₁上还并联有电容C₁，R₂上还并联有电容C₂，其中I₁、R₁、C₁的连接点称为端子b₁，I₂、R₂、C₂的连接点称为端子b₂，R₁、R₂、C₁、C₂的连接点称为端子V_i，恒流源I₁的电流流入端接电源正极，恒流源I₂电流流出端接电源负极，其中I₁＝I₂＝2-6mA，R₁=R₂= (0.6V)/((I₁-ImA)) ，C₁＝C₂＝100-500nF

可变偏压器

的端子b₁接图4电路中晶体管T₁基极，其b₂端接晶体管T₂的基极，其V_i端接信号源U₁。b₁端和b₂端也分别兼作可变偏压器

的控制端子K₁和K₂。

相位校正电路

，如图10所示，由一只电感L和电阻R₉并联而成，其中一个端子称为J，另一端子称为J′，其中L＝1-5μH且其直流电阻为零，R₉＝3Ω-15Ω。其端子J接晶体管T₁、T₂发射极、晶体管T₃、T₄的集电极，其另一端子J′接输出端V_o。由于相位校正器

的直流电阻为零，所以晶体管T₁、T₂的发射极至负载R_L之间的直流电阻也为零值。

图5电路中的电流取样器

与

的电路，如图11所示。它们由一只20-100Ω的电阻R₁₀和一只稳压管D₃并联组成，D₃的齐纳电压值为1-3V，电流容量只要大于晶体管T₃的最大集电极电流即可。

图4电路中的相位校正器

在声频范围内可视为短路，电流取样器工作时对声频信号呈现很小的电阻，并且它们串联在晶体管T₅或T₆集电极回路中，而集电极输出电阻相对而言较高，这样就近似相当于一个恒流源串联一只小电阻，对声频信号而言的作用仍为原来的恒流源。

该电路中的可变偏压器

的电阻R₁、R₂，其阻值比晶体管T₁、T₂的输入电阻阻值小几个数量级，可忽略不计，所以得出晶体管T₁、T₃T₅对被放大的声频信号正半周而言组成了一只新型复合管、如图3中上面的虚线框图所示;晶体管T₂、T₄、T₆对声频信号的负半周而言组成了另一个复合管，如图3下面的虚线方框所示。每只新型复合管的基极和该复合管的发射极之间只有一个PN结，就是晶体管T₁或T₂的BE结;每只复合管的发射极和负载R_L之间直流电阻均为零。以声频信号的正半周而言，输出电压U_o和输入电压U_i之间只相差晶体管T₁的BE结交流电压降U_BE1即：U_o＝U_i-U_BE1

由于放大器正常工作时流过晶体管T₁的BE结的交流电流很小（微安级），所以晶体管T₁的BE结交流电压降U_BE1也很小，U_BE1可以小于U_o的千分之一至数万分之一，这就是说可以忽略U_BE1而得到：U_o＝U_i

即输出电压U_o非常近似于输入电压U_i，或者说失真非常小。负半周时由晶体管T₂、T₄、T₆组成的复合管工作，它们分别和晶体管T₁、T₃、T₅全互补对称连接，工作原理类同，不再赘述。

本跟随器的输出电阻也小至毫欧姆级，对扬声器R_L有足够的阻尼。

相位校正器

的作用是防止自激，它也是本跟随器不可缺少的重要单元。

本跟随器的静态工作点电流由共模电流的控制部分来维持和稳定，其原理是当晶体管T₅导通时，电流取样器

就会有电压输出，当晶体管T₆导通时，电流取样器

就会有电压输出;当

和

同时有输出信号送到“与”电路

时，

就有输出信号去调整可变偏压器

的偏置电压数值。

对于被放大的声频信号而言，晶体管T₅导通，晶体管T₆就截止;晶体管T₆导通，晶体管T₅就截止，所以电流取样器和

不会同时有输出信号送入“与”电路，就不会有输出信号去干予可变偏压器

。

对于静态偏置电流而言，晶体管T₅和T₆同时导通，即有一“共模电流”流过晶体管T₅和T₆这一对互补功率管（如果这个“共模电流”不能受到控制就会烧掉管子），所以电流取样器

和

会同时有输出送到“与”电路

。如果这个“共模电流”出现我们所不希望的增大或减小时，

就会重新调整可变偏压器的偏置电压数值，从而使整个复合跟随器的“共模电流”（静态电流）回到正确的数值上来。

这样，电流取样器

和及“与”电路

的共同工作，就把信号电流和共模电流区别开来。并且只根据共模电流的大小去调整偏置电路，从而维持和稳定了复合射极跟随器正常工作所必需的共模电流（静态工作点电流）。

实际上，由于这种共模电流负反馈的作用，输出功率管在一个周期的任何时间上均不会完全截止，总维持着一个共模电流（例如10-100mA）同时流过晶体管T₅和T₆，这有助于克服输出管的开关失真。显然这种动态稳流方法明显优于传统常用的静态电流偏置方法。

在图5电路中，共模电流控制部分的电流取样点设置在末前级，所以共模电流负反馈稳定的电流是末前级的静态电流，同时也就间接地稳定了末级功率管的静态电流。该电路的其余工作原理和图4电路相同，不再重述。

图4、图5电路相比，图5电路的优点是电流取样器

和

中的稳压管D₃的电流容量可以小一些;缺点是末级功率管有可能进入完全截止区且末级静态电流的热稳定性也不如图4电路那么好。

本发明跟随器中的晶体管均为硅晶体管。

本发明复合射极跟随器和现有技术的同档次复合跟随器相比，有以下优点：

1、功放整机不必再使用大环路负反馈就可以得到很低的失真。如100瓦样机的THD＜0.01%（测试条件：20-20KH，0.1W-100W）。

2、具有很小的输出电阻。100瓦样机的阻尼系数远大于100。

3、瞬态特性好，输出电压上升速率快。100瓦样机的输出电压上升速率大于50V/μS，如果有必要，仍大有提高的余地。

4、主观听感极好，尤其是高音的清晰柔和流畅，远超过一般传统功放的。

5、由于取消了大环路负反馈，对末级大功率管的频率特性要求较低，有利于降低成本和提高可靠性。

6、电路不复杂，只增加很少的成本就能使现有常用功放性能有很大的改进。

7、本发明也可以集成化，如果将其用在集成化声频功放或运算放大器中，可以大幅度提高它们的性能。

本发明用法：用一个低失真的小功率甲类电压放大器和本发明组合在一起，就可以构成新型的无大环路负反馈的高保真声频功放。

Claims

1、一种互补共模稳流复合射极电压跟随器，其特征是其组成包括：

a、两只由六晶体管以三只为一组、各自对应成员管全互补对称构成的复合晶体管，其连接法是前级两只晶体管的基极接信号源、集电极分别接末前级两只晶体管的基极、发射极接末前级和末级晶体管的集电极和输出端，末前级晶体管的发射极分别接末级两只晶体管基极、末级两只晶体管的发射极分别接电源正极和负极；

b、两只电流取样器，根据本跟随器共模电流控制部分电流取样点的不同，被串接在上述末级晶体管集电极回路中或被串接在上述末前级晶体管集电极回路中；

c、一只相位较正器，被串接在上述末级晶体管集电极回路中的两只电流取样器公共接点与上述前级晶体管发射极、末前级晶体管集电极之间，或者串接在上述末级晶体管集电极和末前级晶体管集电极回路中的两只电流取样器公共接点、上述前级晶体管发射极之间；

d、一只接在上述前级两只晶体管基极之间的、其中点接信号源的、且其偏压数值受控制端控制的可变偏压器；

e、一只接在上述两只电流取样器输出端与上述可变偏压器控制端之间的“与”电路。

2、根据权利要求1规定的跟随器，其特征是其每只复合晶体管的基极（B）与发射极（E）之间只有一个BE结（PN结）、其发射极（E）与负载之间的直流电阻为零值、其末级晶体管的信号电流由其集电极输出流至负载;

3、根据权利要求1规定的跟随器，其特征是其工作点电流是通过互补共模电流负反馈稳定。