CN1549444A - 新型电流音频功率放大器 - Google Patents

Abstract

新型电流音频功率放大器，其特征包括：输入端由耦合电容C1、电阻R1起到隔离和阻抗变换作用，集成电路运放IC组成功放驱动级，电位器P1用于调节IC输出端零电位，电源E1向本级运放IC供电，C2和C3为退藕电容。4只三极管BG1～BG4和电阻R2～R4组成交叉耦合射极跟随器输出级，电源E2向交叉耦合射极跟随器输出级供电。E1和E2为2个互相独立的电源，其接地端不能互相连接，不和设备外壳相连接。连接于射极跟随器输出级的R5为电流取样负反馈电阻，控制放大器的增益。末级驱动管BG1、BG2的发射极分别与电源E2正、负极之间相连的电阻R2、R3控制功放的静态电流，负载Z连接于射极跟随器输出级和E2的接地端之间。整个功放电路简洁，成本低廉，保真度高，输出波形对称，不存在瞬态互调失真和交越失真。同时还有热稳定性好，可计算静态电流而不需要调整，电源效率高，静态损耗极低，节约能源以及负载能力强，输出端不怕短路等优点。

Description

新型电流音频功率放大器

本发明涉及音频功率放大器。

现有技术的音频功率放大器主要存在如下缺陷：

①.采用电压负反馈方式的音频功率放大器，其输出功率和输出电流会受扬声器负载阻抗的影响，且成反比例关系。对于扬声器这样的负载，它既不是纯电阻，也不是纯电感性负载，其阻抗是频率的函数。当放大器增益和输入灵敏度选定后，复合阻抗Z随频率的变化值Z(f)将直接影响功放瞬时输出电流i_o(t)的大小，从而影响到扬声器音圈所受的瞬时电磁振荡力F(t)的大小。在电声能量转换过程中，F(t)值的大小变化决定了声波振幅的大小变化，而声波振幅值的改变又必然会使声压和声强大小发生变化，并最终改变原声波的频谱能量分配，产生对声音音质的影响，所以这类功放不可能全部真实地重放和定位出原来的声音。

②.电压负反馈音频功率放大器，其取样于功放输出端的负反馈电压要受扬声器阻抗的影响。由于扬声器阻抗是频率的函数，为非线性元件，故负反馈电压信号同扬声器负载电流不是一一对应的线性关系，会存在着一定的相位差。当扬声器负载中电流变化时，负反馈电压信号就不可能及时跟上变化，准确调节功放电路的输出电流，及时控制扬声器音圈所受的电磁振荡力，从而产生和出现瞬态失真。另一方面，把超前或滞后于负载电流的负反馈电压再送回功放输入端，又会对原输入信号进行调制，带来更为严重的互调失真。所以，电压负反馈音频功率放大器必然会产生瞬态互调失真。

③.电压负反馈功放的输出功率主要受限于末级晶体管的I_CM电流和电源提供电流。这是因为电压型功放所驱扬声器负载阻抗Z随频率变化时，会直接带来功放输出电流I₀变化，当I₀变化超过功放电路和电源可提供的最大值时，就会造成信号被削顶失真或末级功率管非线性失真，或者两种失真都有。所以，电压型功放为防止削顶和非线性失真主要是靠提供瞬时大电流i_c来适应I₀变化。具体电路设计中普遍采用大电流功率管或多管并联和大容量电源及滤波电容供电方式，以保证在整个音频段内有不削顶和非线性失真的额定功率输出。但是，这样必然会增加后级功率管和电源部分的重量、体积及费用。

④.高性能和专业的音频功率放大器电路结构复杂，增加了制作成本。使用元器件较多，故障点增多。静态电流调整较繁琐，热稳定性较差。电能源损耗高、效率低。

本发明的目的在于提供一种保真度高、电路结构简洁、热稳定性好、可靠性高、性价比好、节能高效的音频功率放大器。

本发明技术方案如下：

方案1：OCL结构电流音频功率放大器，见图1。

电路组成：这类结构的新型电流音频功率放大器，输入端由耦合电容C1、电阻R1起到隔离和阻抗变换作用，集成运放电路IC组成功放驱动级，IC可以使用目前常用的NE5532、NE5534、LT1028、AD847等集成运放块，电位器P1用于调节IC输出端零电位，电源E1向该驱动级运放IC供电，C2和C3为退藕电容，以避免低频自激。4只三极管BG1～BG4和电阻R2～R4组成交叉耦合射极跟随器输出级，BG1和BG2选用中功率管，BG3和BG4选用大功率管，由电源E2向交叉耦合射极跟随器输出级供电。E1和E2为2个互相独立的电源，其接地端不能互相连接，不和设备外壳相连接。电阻R2、R3控制功放的静态电流，R5为电流取样负反馈电阻，控制放大器的增益。由于R5连接于输出主回路上，为了减少损耗和发热，R5的取值应选择在0.2Ω～0.5Ω之间。负载Z连接于交叉耦合射极跟随器输出级和E2的接地端之间。

工作原理：音频激励信号通过IN端输入，经过C1隔断直流和R1进行阻抗变换后输入到驱动级运放IC内。正半周时IC输出信号使末级中的BG1管和BG4管导通，放大后的信号电流从E2的接地端经过负载Z、取样电阻R5、三极管BG4回到E2的负端；负半周时IC输出信号使末级中的BG2管和BG3管导通，放大后的信号电流从E2的正端经过三极管BG3、取样电阻R5、负载Z回到E2的接地端。可见正负半周内均有不同方向的电流通过负载Z，在负载Z上能得到放大后的全交流信号。R5是电流取样电阻，通过它将负载Z中的电流变化线性地转换成电压变化，并将这种变化值线性地反馈到IC的负输入端，使IC实际输入信号值发生改变，从而达到控制功率放大器增益和输出电流目的，起到功率放大作用。

电路连接关系：

输入信号IN的正端同电容C的一端相连。

电容C的另一端同R1的一端和集成电路IC的正输入端3脚相连。

IN的负端同R1的另一端及电容C2、C3的一端和电源E1的接地端、电流取样电阻R5、负载Z的一端互相连接。

集成电路IC的4脚同电源E1的负端和C3的另一端互相连接。

IC的7脚同电源E1的正端和C2的另一端、电位器P1的中间滑动端互相连接。

IC的1脚同电位器P1的一端相连，IC的5脚同电位器P1的另一端相连。

IC的输出端6脚同三极管BG1基极b和BG2基极b互相连接。

BG1发射极、BG4基极以及电阻R3、R4的一端互相连接。

BG1集电极、BG3集电极以及电源E2的正端、电阻R2的一端互相连接。

BG2发射极、BG3基极以及电阻R2、R4的一端互相连接。

BG2集电极、BG4集电极以及电源E2的负端、电阻R3的一端互相连接。

BG3发射极、BG4发射极以及IC的反馈端2脚、R5的另一端互相连接。

电源E2的接地端同负载Z的另一端相连。

方案2：BTL结构电流音频功率放大器，见图2。

电路组成：这类结构的新型电流音频功率放大器，主要由2套方案1的音频功率放大器组成。输入信号的倒相变换和隔离由输入变压器XLB来实现。电源E1、E2分别向2个驱动级的运放IC1和IC2供电，电源E3同时向2个交叉耦合射极跟随器输出级供电。E1、E2、E3是三个互相独立的电源，其接地端不能互相连接，不和设备外壳相连接。负载Z连接于2个放大器输出级之间。

工作原理：音频激励信号通过IN端输入后，经过XLB变换为2个相位相反、幅度一样的音频信号分别输入上、下两个功率放大器内，这2个功率放大器内的工作原理同方案1的功率放大器一样。正半周时信号电流从电源E3的正极经过功放末级的BG3管、电阻R5、负载Z、电阻R10、BG8管回到E3的负端；负半周时信号电流从电源E3的正极经过功放末级的BG7管、电阻R10、负载Z、电阻R5、BG4管回到E3的负端。因此，正负半周内也有不同方向的电流通过负载Z，在负载Z上能得到放大后的全交流信号。由于电源E3全程加于负载Z两端，在同等条件下，这种结构的功率放大器将比方案1的功率放大器理论上提高输出功率4陪。

电路连接关系：

输入信号IN的正端同XLB的1脚相连，IN的负端同XLB的2脚相连。

XLB的3脚同电容C1的一端相连。

C1的另一端同R1的一端和集成电路IC1的正输入端3脚相连。

XLB的4脚同R1的另一端及电容C3、C4的一端和电源E1的接地端、电流取样电阻R5、

负载Z的一端互相连接。

集成电路IC1的4脚同电源E1的负端和C4的另一端互相连接。

IC1的7脚同电源E1的正端和C3的另一端、电位器P1的中间滑动端互相连接。

IC1的1脚同电位器P1的一端相连，IC1的5脚同电位器P1的另一端相连。

IC1的输出端6脚同三极管BG1基极、BG2基极互相连接。

BG1发射极、BG4基极以及电阻R3、R4的一端互相连接。

BG1集电极、BG3集电极以及电源E3的正端、电阻R2的一端互相连接。

BG2发射极、BG3基极以及电阻R2、R4的一端互相连接。

BG2集电极、BG4集电极以及电源E3的负端、电阻R3的一端互相连接。

BG3发射极、BG4发射极以及IC的反馈端2脚、R5的另一端互相连接。

XLB的5脚同电容C2的一端相连。

C2的另一端同R6的一端和集成电路IC2的正输入端3脚相连。

XLB的6脚同R6的另一端及电容C5、C6的一端和电源E2的接地端、电流取样电阻R10、负载Z的另一端互相连接。

集成电路IC2的4脚同电源E2的负端和C6的另一端互相连接。

IC2的7脚同电源E2的正端和C5的另一端、电位器P2的中间滑动端互相连接。

IC2的1脚同电位器P2的一端相连，IC2的5脚同电位器P2的另一端相连。

IC2的输出端6脚同三极管BG5基极、BG6基极互相连接。

BG5发射极、BG8基极以及电阻R8、R9的一端互相连接。

BG5集电极、BG7集电极以及电源E3的正端、电阻R7的一端互相连接。

BG6发射极、BG7基极以及电阻R7、R9的一端互相连接。

BG6集电极、BG8集电极以及电源E3的负端、电阻R8的一端互相连接。

BG7发射极、BG8发射极以及IC2的反馈端2脚、R10的另一端互相连接。

新型电流音频功率放大器的优点：

①.功放电路的负载端电压、输出功率会随着负载扬声器阻抗的变化而成正比例关系改变，也就是说电流负反馈对阻抗随频率变化有一定的功率补偿作用。因此，这类功放能适应很宽的负载范围，可以用于驱动各类阻抗的动圈式扬声器负载，也可以用于驱动高频阻抗很低的静电式电容扬声器负载。

②.功放输出到扬声器负载的音圈电流不再受扬声器阻抗的影响，完全由输入信号来控制和决定。在负载两端短路也不会给功放电路带来过流现象，而负载两端开路时，输出端电压的上升又受到电源电压的限制，也不可能给末级功率管带来危害，故大大简化了功放保护电路。

③.反馈到输入端的信号电压同负载电流是线性的比例关系，不存在相位差，从而在电路结构上避免了出现瞬态互调失真。

④.电流功放的输出功率值主要受限于末级晶体管的耐压和电源提供电压。这类功放电路的功率储备量主要由负载端电压储备量决定，设计中只要预留有10倍以上的负载端电压裕度，就会有相应倍数的功率储备量。而想要在功放电路上预留10倍以上的负载端电压富裕度，可采用高耐压功率管和高电源电压供电来实现。这相对比让功放电路有10倍以上的电流富裕度，实现起来更容易些。同时，使用高电压裕度方式来适应负载阻抗和大动态信号的变化要求，比用大电流裕度方式来达到同样目的，具有更好的经济性、更低的损耗和更高的电源效率，能使末级功率管和电源部分的体积、重量大大减小，制作成本大大降低。

⑤.电路结构简洁，对信号干扰少。使用元器件少，不易发生故障，可靠性高，制作成本低。功放末级采用交叉耦合射极跟随器输出电路，可计算静态电流而不需要调整，热稳定性好，输出波形的对称性好，输出端零电位稳定。

⑥.功放交叉耦合射极跟随器输出级静态电流，试验中可以在低到5mA左右的甲乙类下正常工作，静态损耗很低。所以，这类功放既保证了有高的电源效率，节约能源，又能输出对称的波形，避免出现交越失真，达到好的音质。

可见，本发明的音频功放电路是一种更加完善和合理的线路，用这类电路结构设计制作的音频功率放大器，相信一定会在民用和专业音响领域得到广泛应用，并使我国的音响工业保持与世界先进技术同步。

Claims (2)

1.新型电流音频功率放大器，其特征包括：输入端由耦合电容C1、电阻R1起到隔离和阻抗变换作用，集成电路运放IC组成功放驱动级，IC可以使用目前常用的NE5532、NE5534、LT1028、AD847等集成运放块，电位器P1用于调节IC输出端零电位，电源E1向本级运放IC供电，C32和C3为退藕电容。4只三极管BG1～BG4和电阻R2～R4组成交叉耦合射极跟随器输出级，BG1和BG2选用中功率管，BG3和BG4选用大功率管，电源E2向交叉耦合射极跟随器输出级供电。E1和E2为2个互相独立的电源，其接地端不能互相连接，不和设备外壳相连接。连接于射极跟随器输出级的R5为电流取样负反馈电阻，控制放大器的增益，其取值范围控制在0.2Ω～0.5Ω之间。末级驱动管BG1、BG2的发射极分别与电源E2负极、正极相连的电阻R2、R3控制功放的静态电流，负载Z连接于射极跟随器输出级和E2的接地端之间。电路连接关系：

输入信号IN的正端同电容C1的一端相连。

电容C1的另一端同R1的一端和集成电路IC的正输入端3脚相连。

IN的负端同R1的另一端及电容C2、C3的一端和电源E1的接地端、电流取样电阻R5、负载Z的一端互相连接。

集成电路IC的4脚同电源E1的负端和C3的另一端互相连接。

IC的7脚同电源E1的正端和C2的另一端、电位器P1的中间滑动端互相连接。

IC的1脚同电位器P1的一端相连，IC的5脚同电位器P1的另一端相连。

IC的输出端6脚同三极管BG1基极和BG2基极互相连接。

BG1发射极、BG4基极以及电阻R3、R4的一端互相连接。

BG1集电极、BG3集电极以及电源E2的正端、电阻R2的一端互相连接。

BG2发射极、BG3基极以及电阻R2、R4的一端互相连接。

BG2集电极、BG4集电极以及电源E2的负端、电阻R3的一端互相连接。

BG3发射极、BG4发射极以及IC的反馈端2脚、R5的另一端互相连接。

电源E2的接地端同负载Z的另一端相连。

2.根据权利要求1所述新型电流音频功率放大器，其特征包括：由2套权利要求1方案组成的音频功率放大器构成。输入信号的倒相变换和隔离由输入变压器XLB来实现。电源E1、E2分别向2个驱动级的运放IC1和IC2供电，电源E3同时向2个交叉耦合射极跟随器输出级供电。E1、E2、E3是三个互相独立的电源，其接地端不能互相连接，不和设备外壳相连接。负载Z连接于2个放大器输出级之间。电路连接关系：

输入信号IN的正端同XLB的1脚相连，IN的负端同XLB的2脚相连。

XLB的3脚同电容C1的一端相连。

C1的另一端同R1的一端和集成电路IC1的正输入端3脚相连。

XLB的4脚同R1的另一端及电容C3、C4的一端和电源E1的接地端、电流取样电阻R5、负载Z的一端互相连接。

集成电路IC1的4脚同电源E1的负端和C4的另一端互相连接。

IC1的7脚同电源E1的正端和C3的另一端、电位器P1的中间滑动端互相连接。

IC1的1脚同电位器P1的一端相连，IC1的5脚同电位器P1的另一端相连。

IC1的输出端6脚同三极管BG1基极、BG2基极互相连接。

BG1发射极、BG4基极以及电阻R3、R4的一端互相连接。

BG1集电极、BG3集电极以及电源E3的正端、电阻R2的一端互相连接。

BG2发射极、BG3基极和电阻R2、R4的一端互相连接。

BG2集电极、BG4集电极以及电源E3的负端、电阻R3的一端互相连接。

BG3发射极、BG4发射极和IC的反馈端2脚、电阻R5的另一端互相连接。

XLB的5脚同电容C2的一端相连。

C2的另一端同R6的一端和集成电路IC2的正输入端3脚相连。

XLB的6脚同R6的另一端及电容C5、C6的一端和电源E2的接地端、电流取样电阻R10、负载Z的另一端互相连接。

集成电路IC2的4脚同电源E2的负端和C6的另一端互相连接。

IC2的7脚同电源E2的正端和C5的另一端、电位器P2的中间滑动端互相连接。

IC2的1脚同电位器P2的一端相连，IC2的5脚同电位器P2的另一端相连。

IC2的输出端6脚同三极管BG5基极、BG6基极互相连接。

BG5发射极、BG8基极和电阻R8、R9的一端互相连接。

BG5集电极、BG7集电极以及电源E3的正端、电阻R7的一端互相连接。

BG6发射极、BG7基极和电阻R7、R9的一端互相连接。

BG6集电极、BG8集电极以及电源E3的负端、电阻R8的一端互相连接。

BG7发射极、BG8发射极和IC2的反馈端2脚、电阻R10的另一端互相连接。

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