CN110855252B - 一种功率运放的扩流电路 - Google Patents

Abstract

一种功率运放的扩流电路，设置有功率运放单元、偏置电路单元以及扩流三极管单元，功率运放单元分别与偏置电路单元、扩流三极管单元连接，在使用时通过功率运放单元直接驱动扩流三极管单元减少了电路级数，并保证了扩流三极管单元的静态偏置电流，从而克服了交越失真；同时偏置电路单元实现了可以驱动很低的发射极偏置电阻，可以用于制造高频大电流的功率放大器；减少了电路的复杂性，并降低了零点漂移电压改善了交越失真，并且功率运放供电稳定。

Description

一种功率运放的扩流电路

技术领域

本发明涉及电气技术领域，特别是涉及一种功率运放的扩流电路。

背景技术

功率放大器是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载(例如扬声器)的放大器。利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，可分为A类、B类和AB类放大器。D类放大器是一种将输入模拟音频信号变换成PWM(脉冲宽度调制)的脉冲信号,然后用脉冲信号去控制大功率开关器件通/断，也称为开关放大器，具有效率高的突出优点。

在许多工业领域都需要功率放大器，例如电力系统行波测距装置的测试，需要频带100kHz，峰值电流60A的功率放大器。被测装置的内阻≤0.3Ω，因此功放的电源电压至少为0.3×60＝18V，考虑到输出器件的压降，至少取值为24V。

在大电流下D类放大器能实现的开关频率约为200kHz，因此其信号带宽难以满足100kHz的要求(滤除开关频率后信号带宽约为20kHz)。因此必须使用模拟功率放大器实现，考虑到功率消耗应采用AB类放大器。

AB类放大器既可以使用分立元件实现，也可以使用集成电路实现。在分立元件功放制作过程中难以买到用于差分对管、镜像对管的孪生管，由于上述管子的受热不均匀，造成功放输出中点较大的电压漂移。

现有的功率放大器实现技术都有一些固有缺点，具体分析如下：

1.分立元件方案：首先分立元件电路复杂调试难度大，布线长容易寄生振荡；其次两个差分管受热不均匀，造成输出中点较大的电压漂移。

2.多个功率运放并联方案：功率运放的输出电流仍然较小，输出60A需要10多个并联成本较高；另外Master运放和Slave运放的放大倍数不同，因此频率响应也不同，在高频时存在相差存在环流，影响高频特性。

3.功率运放加扩流电路方式1：功率运放的静态电流约为40mA，1.5Ω电阻压降很小，因此扩流三极管偏置严重不足，存在交越失真；另外功率运放输出大电流时，1.5Ω电阻压降较大，造成功率运放前级电路供电波动，影响其稳定性并造成干扰。

4.功率运放加扩流电路方式2：扩流三极管偏置电流为零，270Ω电阻只能改善低频段交越失真，高频段仍存在较大的交越失真。

因此，针对现有技术不足，提供一种功率运放的扩流电路以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种功率运放的扩流电路，该功率运放的扩流电路能够简化电路连接，满足测试的需求，杜绝扩流电路的交越失真问题。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

提供一种功率运放的扩流电路，通过高频增益限制以及电流峰值控制的功率运放单元直接驱动偏置电路单元保证静态偏置电流克服交越失真状态下的扩流三级管单元。

具体的，设置有功率运放单元、用于保证扩流三极管单元静态偏置电流克服交越失真的偏置电路单元以及扩流三极管单元，功率运放单元分别与偏置电路单元、扩流三极管单元连接，偏置电路单元与扩流三极管单元连接。

优选的，功率运放单元设置有电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电源V6、电源V3、电源V4、放大器U2以及用于限制高频增益的电容C1；优选的，电阻R1的一端分别与电阻R3的一端、放大器U2的1脚连接，电阻R1的另一端与扩流三极管单元的b1点连接，电阻R3的另一端接地连接，电源V3的一端与放大器U2的3脚连接，电源V3的另一端与接地连接，放大器U2的4脚分别与电阻R5的一端、偏置电路单元的a1点连接，放大器U2的5脚分别与电阻R5的另一端、电阻R2的一端、电容C1的一端连接，电容C1的另一端分别与放大器U2的2脚、电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电源V6的一端正极连接，电源V6的另一端接地连接，放大器U2的6脚与电源V4的一端连接，电源V4的另一端接地连接。

优选的，偏置电路单元设置有电阻R6、电阻R7、电位器W2、电位器W1、电阻R10、电阻R15、电阻R16、三级管Q5、三级管Q6、三级管Q7、电源V5，电阻R6的一端分别与电源V5的一端、三极管Q21的集电极连接，电阻R6的另一端分别与电阻R7的一端、电位器W2的一端连接，电阻R7的另一端分别与测温管Q7的基极、电位器W1的一端连接，电位器W2的另一端分别与三级管Q7的集电极、三极管Q5的基极连接，三极管Q5的发射极分别与电阻R15的一端、扩流三极管单元的b2点连接，电阻R15的另一端分别与电阻R16的一端、电阻R5的一端连接，电阻R16的另一端分别与三极管Q6的发射极、扩流三极管单元的b3点连接，电源V5的负极分别与电阻R10的一端、三极管Q6的集电极连接，三极管Q6的基电极分别与电位器W1的另一端、电阻R10的另一端、测温管Q7的发射极连接。

优选的，扩流三极管单元设置有电源V1、电源V2、三极管Q1、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R17、电阻R18；电阻R17的一端接地连接，电阻R17的另一端分别与电阻R1的一端、电位器W2的一端连接，电阻R18的另一端分别与电阻R13的一端、电阻R13的一端、电阻R14的一端、电阻R11的一端、电阻R12的一端、电阻R2的一端连接，电阻R11的另一端与三极管Q1的发射极连接，三极管Q1的基极分别与电阻R15的一端、三极管Q5的发射极、三极管Q3的基极连接，三极管Q3的发射极与电阻R13的另一端连接，三极管Q3的集电极分别与三极管Q1的集电极、电源V1的正极连接，电源V1的负极接地连接，电阻R12的另一端与三极管Q2的发射极连接，电阻R14的另一端与三极管Q4的发射极连接，三极管Q4的集电极分别与三极管Q2的集电极、电源V2的负极连接，三极管Q4的基极分别与三极管Q2的基极、电阻R16的一端连接，电源V2的正极接地连接。

优选的，放大器U2为OPA541AP，电源V5为浮地电源。

优选的，电阻R5为功率运放限流电阻，优选的，电流R11,R12,R13,R14是均流电阻。优选的，电阻R15、电阻R16为发射极偏置电阻。

优选的，电阻R5为0.1Ω。优选的，电阻R15、电阻R16为2Ω,电位器W2电阻为108KΩ,电位器W1电阻为56KΩ。

优选的，测温管Q7为测温管。优选的，三极管Q5为偏置放大三极管

优选的，测温管Q7的工作电流为10Ma。优选的，电阻R15、电阻R16偏置电流为0.3A。优选的，电阻R1为10KΩ。

优选的，扩流三极管单元设置有多个。

本发明的功率运放的扩流电路，设置有功率运放单元、偏置电路单元以及扩流三极管单元，功率运放单元分别与偏置电路单元、扩流三极管单元连接，在使用时通过功率运放单元直接驱动扩流三极管单元减少了电路级数，并保证了扩流三极管单元的静态偏置电流，从而克服了交越失真；同时偏置电路单元实现了可以驱动很低的发射极偏置电阻，可以用于制造高频大电流的功率放大器；减少了电路的复杂性，并降低了零点漂移电压改善了交越失真，并且功率运放供电稳定。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的电路结构示意图。

在图1至图2中，包括：

功率运放单元100、偏置电路单元200、

扩流三极管单元300。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1。

一种功率运放的扩流电路，如图1、图2所示，一种功率运放的扩流电路，通过高频增益限制以及电流峰值控制的功率运放单元直接驱动偏置电路单元保证静态偏置电流克服交越失真状态下的扩流三级管单元。

具体的，设置有功率运放单元100、用于保证扩流三极管单元静态偏置电流克服交越失真的偏置电路单元200以及扩流三极管单元300，功率运放单元100分别与偏置电路单元200、扩流三极管单元300连接。偏置电路单元200与扩流三极管单元300连接。

本实施的功率运放的扩流电路，设置有功率运放单元、偏置电路单元以及扩流三极管单元，功率运放单元分别与偏置电路单元、扩流三极管单元连接，在使用时通过功率运放单元直接驱动扩流三极管单元减少了电路级数，并保证了扩流三极管单元的静态偏置电流，从而克服了交越失真；同时偏置电路单元实现了可以驱动很低的发射极偏置电阻，可以用于制造高频大电流的功率放大器；减少了电路的复杂性，并降低了零点漂移电压改善了交越失真，并且功率运放供电稳定。

实施例2。

一种功率运放的扩流电路，其它结构与实施例1相同，不同之处在于，该功率运放的扩流电路，功率运放单元100设置有电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电源V6、电源V3、电源V4、放大器U2以及用于限制高频增益的电容C1；具体的，电阻R1的一端分别与电阻R3的一端、放大器U2的1脚连接，电阻R1的另一端与扩流三极管单元300的b1点连接，电阻R3的另一端接地连接，电源V3的一端与放大器U2的3脚连接，电源V3的另一端与接地连接，放大器U2的4脚分别与电阻R5的一端、偏置电路单元200的a1点连接，放大器U2的5脚分别与电阻R5的另一端、电阻R2的一端、电容C1的一端连接，电容C1的另一端分别与放大器U2的2脚、电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电源V6的一端正极连接，电源V6的另一端接地连接，放大器U2的6脚与电源V4的一端连接，电源V4的另一端接地连接。

具体的，偏置电路单元200设置有电阻R6、电阻R7、电位器W2、电位器W1、电阻R10、电阻R15、电阻R16、三级管Q5、三级管Q6、三级管Q7、电源V5，电阻R6的一端分别与电源V5的一端、三极管Q21的集电极连接，电阻R6的另一端分别与电阻R7的一端、电位器W2的一端连接，电阻R7的另一端分别与测温管Q7的基极、电位器W1的一端连接，电位器W2的另一端分别与三级管Q7的集电极、三极管Q5的基极连接，三极管Q5的发射极分别与电阻R15的一端、扩流三极管单元300的b2点连接，电阻R15的另一端分别与电阻R16的一端、电阻R5的一端连接，电阻R16的另一端分别与三极管Q6的发射极、扩流三极管单元300的b3点连接，电源V5的负极分别与电阻R10的一端、三极管Q6的集电极连接，三极管Q6的基电极分别与电位器W1的另一端、电阻R10的另一端、测温管Q7的发射极连接。

具体的，扩流三极管单元300设置有电源V1、电源V2、三极管Q1、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R17、电阻R18；电阻R17的一端接地连接，电阻R17的另一端分别与电阻R1的一端、电位器W2的一端连接，电阻R18的另一端分别与电阻R13的一端、电阻R13的一端、电阻R14的一端、电阻R11的一端、电阻R12的一端、电阻R2的一端连接，电阻R11的另一端与三极管Q1的发射极连接，三极管Q1的基极分别与电阻R15的一端、三极管Q5的发射极、三极管Q3的基极连接，三极管Q3的发射极与电阻R13的另一端连接，三极管Q3的集电极分别与三极管Q1的集电极、电源V1的正极连接，电源V1的负极接地连接，电阻R12的另一端与三极管Q2的发射极连接，电阻R14的另一端与三极管Q4的发射极连接，三极管Q4的集电极分别与三极管Q2的集电极、电源V2的负极连接，三极管Q4的基极分别与三极管Q2的基极、电阻R16的一端连接，电源V2的正极接地连接。

具体的，放大器U2为OPA541AP，电源V5为浮地电源。

具体的，电阻R5为功率运放限流电阻，具体的，电流R11,R12,R13,R14是均流电阻。具体的，电阻R15、电阻R16为发射极偏置电阻。

具体的，电阻R5为0.1Ω。具体的，电阻R15、电阻R16为2Ω。

具体的，测温管Q7为测温管。具体的，三极管Q5为偏置放大三极管。

具体的，测温管Q7的工作电流为10Ma。具体的，电阻R15、电阻R16偏置电流为0.3A。具体的，电阻R1为10KΩ。

1)功率运放单元100部分：

放大器U2和电阻R1,R2,R3,R4,R18决定功率放大器的整体电流增益，如公式(I)所示。其中具体的，R1,R2,R3,R4为10KΩ，R18为0.05Ω。

电源V6为信号源电压。

I_LIM＝0.813÷(R₅+0.02)……公式(II)

电容C1用于限制高频增益，避免自激振荡。电阻R5为功率运放限流电阻，根据公式(II)，可将输出电流峰值限制到6.8A。

2)扩流三极管单元300部分

扩流三极管单元300使用功耗200W，持续电流15A的功率对管，增益带宽积为30MHz，足以满足100kHz的带宽需求。电流R11,R12,R13,R14是均流电阻，用于补偿扩流三极管单元300的增益偏差。

3)偏置电路单元200

偏置电路单元200作为关键点的功能部分，本发明的独特之处在于，放大器U2的输出电流直接驱动扩流三极管单元300，减少了电路级数,，并保证了扩流三极管单元300的静态偏置电流，详述如下：

为了充分利用功率运放单元100的输出电流，串联电阻R15和R16设置为2Ω。扩流三极管单元300的偏置电压约为0.6V，因此R15的偏置电流为0.3A。

图中测温管Q7装设在扩流三极管单元300的散热器上实现热耦合，从而实现扩流三极管单元300的温度补偿。为了减小测温管Q7的自身发热，其工作电流设置为10mA。为了达到电阻R15的0.3A偏置电流要求，增设了三极管Q5和三极管Q6，三极管Q5和三极管Q6分别为偏置放大三极管。

为了避免放大器U2的驱动电流流入偏置电源，偏置电源V5所以设置为浮地电源，这样放大器U2的驱动电流只能流向扩流三极管单元，从而充分利用了放大器U2的驱动能力。

测温管Q7，电阻R7,电位器W2,电位器W1构成传统的Vbe倍增器：电位器W2电阻为108KΩ,电位器W1电阻为56KΩ。其中电位器W1用于调节偏置电压大小，使扩流三极管工作在合适的静态电流，从而克服交越失真；电位器W2用于微调温度补偿系数，使得散热器温度上升时，扩流三极管仍能保持合适静态电流，不至于温度过补偿或欠补偿。

本实施的功率运放的扩流电路，通过将功率运放单元100、偏置电路单元200以及扩流三极管单元300通过电路元器件的方式进行实现，降低了使用成本，简化了连接方式，保证了扩流三极管的静态偏置电流，使功率运放供电稳定，从而克服了交越失真，使用了浮地电源作为偏置电源，从而充分利用功率运放的驱动电流，使用了偏置放大三极管，从而可以驱动很低的发射极偏置电阻。

实施例3。

一种功率运放的扩流电路，其它结构与实施例1或2相同，不同之处在于，扩流三极管单元300设置有多个，在上述实施例2中扩流三极管使用功耗200W，持续电流15A的功率对管，增益带宽积为30MHz，足以满足100kHz的带宽需求。在实施例2中三极管Q3、三极管Q1形成一对扩流电路并通过R11、R13均流电阻进行保护该扩流电路；三极管Q2、三极管Q4形成一对扩流电路并通过R14、R12均流电阻进行保护该扩流电路。

当扩流三极管单元300设置有2个时，目的是为了满足30A的输出电流并考虑裕量，需要4对扩流电路，并通过对应的均流电阻进行保护。

当扩流三极管单元300设置有3个时，目的是当为了满足60A的输出电流并考虑裕量，需要6对扩流电路，并通过对应的均流电阻进行保护。

当扩流三极管单元300设置有多个时，扩流三极管单元300与偏置电路的连接方式与实施例2中所记载的连接方式一致，分别通过与发射极偏置电阻的一端连接进行工作，作为本领域内普通技术人员的公知常识其具体的电路连接就不再赘述。

通过扩流三极管单元设置有多个，满足不同输出电流的要求使得适用范围更加更广，能够用于制造高频大电流的功率放大器。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种功率运放的扩流电路，其特征在于：通过高频增益限制以及电流峰值控制的功率运放单元直接驱动偏置电路单元保证静态偏置电流克服交越失真状态下的扩流三级管单元；

设置有功率运放单元、用于保证扩流三极管单元静态偏置电流克服交越失真的偏置电路单元以及扩流三极管单元，所述功率运放单元分别与所述偏置电路单元、扩流三极管单元连接，偏置电路单元与扩流三极管单元连接；

所述功率运放单元设置有电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电源V6、电源V3、电源V4、放大器U2以及用于限制高频增益的电容C1；所述电阻R1的一端分别与电阻R3的一端、放大器U2的1脚连接，电阻R1的另一端与所述扩流三极管单元的b1点连接，电阻R3的另一端接地连接，所述电源V3的一端与放大器U2的3脚连接，所述电源V3的另一端与接地连接，放大器U2的4脚分别与电阻R5的一端、偏置电路单元的a1点连接，放大器U2的5脚分别与电阻R5的另一端、电阻R2的一端、电容C1的一端连接，电容C1的另一端分别与放大器U2的2脚、电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电源V6的一端正极连接，电源V6的另一端接地连接，放大器U2的6脚与电源V4的一端连接，电源V4的另一端接地连接；

所述偏置电路单元设置有电阻R6、电阻R7、电位器W2、电位器W1、电阻R10、电阻R15、电阻R16、三级管Q5、三级管Q6、三级管Q7、电源V5，

所述电阻R6的一端分别与电源V5的一端、三极管Q21的集电极连接，电阻R6的另一端分别与电阻R7的一端、电位器W2的一端连接，所述电阻R7的另一端分别与测温管Q7的基极、电位器W1的一端连接，电位器W2的另一端分别与三级管Q7的集电极、三极管Q5的基极连接，三极管Q5的发射极分别与电阻R15的一端、扩流三极管单元的b2点连接，电阻R15的另一端分别与电阻R16的一端、电阻R5的一端连接，电阻R16的另一端分别与三极管Q6的发射极、扩流三极管单元的b3点连接，电源V5的负极分别与电阻R10的一端、三极管Q6的集电极连接，三极管Q6的基电极分别与电位器W1的另一端、电阻R10的另一端、测温管Q7的发射极连接；

所述扩流三极管单元设置有电源V1、电源V2、三极管Q1、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R17、电阻R18；所述电阻R17的一端接地连接，电阻R17的另一端分别与电阻R1的一端、电位器W2的一端连接，电阻R18的另一端分别与电阻R13的一端、电阻R13的一端、电阻R14的一端、电阻R11的一端、电阻R12的一端、电阻R2的一端连接，电阻R11的另一端与三极管Q1的发射极连接，三极管Q1的基极分别与电阻R15的一端、三极管Q5的发射极、三极管Q3的基极连接，三极管Q3的发射极与电阻R13的另一端连接，三极管Q3的集电极分别与三极管Q1的集电极、电源V1的正极连接，电源V1的负极接地连接，电阻R12的另一端与三极管Q2的发射极连接，电阻R14的另一端与三极管Q4的发射极连接，三极管Q4的集电极分别与三极管Q2的集电极、电源V2的负极连接，三极管Q4的基极分别与三极管Q2的基极、电阻R16的一端连接，电源V2的正极接地连接。

2.根据权利要求1所述的功率运放的扩流电路，其特征在于：所述放大器U2为OPA541AP，电源V5为浮地电源。

3.根据权利要求2所述的功率运放的扩流电路，其特征在于：所述电阻R5为功率运放限流电阻，所述电流R11,R12,R13,R14是均流电阻，所述电阻R15、电阻R16为发射极偏置电阻。

4.根据权利要求3所述的功率运放的扩流电路，其特征在于：所述电阻R5为0.1Ω，所述电阻R15、电阻R16为2Ω。

5.根据权利要求4所述的功率运放的扩流电路，其特征在于：

所述测温管Q7为测温管，所述三极管Q5为偏置放大三极管；所述测温管Q7的工作电流为10Ma，所述电阻R15、电阻R16偏置电流为0.3A，所述电阻R1为10KΩ,电位器W2电阻为108KΩ, 电位器W1电阻为56KΩ。

6.根据权利要求5所述的功率运放的扩流电路，其特征在于：所述扩流三极管单元设置有多个。

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