CN1996748A

CN1996748A - 平衡放大器

Info

Publication number: CN1996748A
Application number: CNA2006101694424A
Authority: CN
Inventors: 林志明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: US20070164816A1; US7304535B2; CN1996748B; GB0600146D0; GB2434047A; JP2007184918A

Abstract

本发明公开了一种平衡放大器，其为两级连接的放大器，其中输入级接收平衡信号及将信号放大后输给第二级，输入级同时设有两对反馈接口，至少一对反馈接口用于将第二级输出信号的一部分反馈给输入级，第二级放大输入级的输出信号并保持该信号的平衡。

Description

平衡放大器

技术领域

本发明涉及一种平衡放大器，尤其涉及一种具有多反馈环的平衡放大器。

背景技术

自从20世纪60年代以来，基于半导体的音频功率放大器已经占据了音响市场。在音频信号放大中使用半导体元件的优势包括体积小、高效率及高输出功率。然而，半导体音频放大器的声音质量却有别于真空管音频放大器，并且许多音响爱好者更喜欢真空管放大器的声音，因而选择真空管音频放大器。从20世纪80年代开始，真空管音频系统已渐渐再次回到市场，在高端音响市场中更分享了良好的市场占有率。

在高端音频应用中，平衡技术经常应用在半导体放大器，如大功率放大器和前置放大器。使用平衡技术的优势在于能消除共模噪声和失真。结果是与不使用任何平衡技术的放大器相比，会有更低的噪声和失真率。然而，在真空管平衡放大器上却只有非常短的发展历史。单端输入一直是真空管音频放大器的主流设计。

目前，在真空管功率放大器设计中已经存在一种平衡技术。在这类平衡真空管功率放大器之结构上，该平衡技术能解释为具有三个单独放大级，即输入级(也称为“第一级”)，第二级(也称为“驱动级”)以及输出功率级(也称为“第三级”)。在该技术中，一对反馈环从输出功率级连接到输入级。

例如，图7和8所示的是使用一对反馈通路的常规平衡放大器的原理框图和电路图。而图9和10则为利用图7和8的放大器而组成的推挽式(push-pull)平衡真空管功率放大器之原理框图和电路图。

从图9和10，可以容易地看出在输出级和输入级之间连接一对反馈环。由反馈环供应的反馈将功率放大器的性能提高，如较低的输出阻抗，较宽的带宽和较低的失真。然而，众所周知，如果应用了太多的反馈，就会使放大器不稳定。

从反馈原理所公知的特性，反馈可以减少失真和降低输出阻抗，并增加整个功率放大器的带宽。尽管这些都是反馈所提供的优点，但是应用太多反馈却会导致放大器产生不稳定，而应用太少反馈又不能得到预期的效果。因此，设计者通过使用单对反馈环通常很难把整个放大器性能推至最理想的水平。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种平衡放大器，可以减轻前述缺点或者至少提供一种有用的替换方案。尤其，本发明提供了一种新的平衡放大器技术，能提高真空管功率放大器的性能。

本发明提供一种包含至少两级的平衡放大器，其中的输入级适于将放大后的信号输给第二级，其中所述输入级为包括一适于接收平衡输入信号并设有两对反馈环而组成的第一组差动放大器，其中至少一对反馈环适于接收所述第二级的输出信号，以及其中所述第二级包括一适于放大所述输入级的输出信号的第二组差动放大器，并适于保持所述平衡信号。

附图说明

现在将仅通过举例的方式参考附图详细描述本发明的放大器，其中：

图1是根据本发明第一实施例的真空管平衡放大器的原理框图；

图2A是图1所示的真空管平衡放大器的详细电路图；

图2B是根据本发明第二实施例的真空管平衡放大器的详细电路图，其是图2A所示的简化图；

图3是根据本发明第三实施例的推挽结构中的平衡音频功率放大器的原理框图；

图4是根据本发明第四实施例的平衡放大器的原理框图；

图5A是图3所示的真空管平衡功率放大器的详细电路图；

图5B是根据图3的真空管平衡放大器的详细电路图，如根据图2B相同的原理进行简化；

图6A是图4所示的真空管平衡功率放大器的详细电路图；

图6B是根据图4的真空管平衡放大器的详细电路图，如根据图2B相同的原理进行简化；

图7是使用一对反馈路径的传统平衡放大器的原理图；

图8是图7所示的传统平衡放大器的详细电路图；

图9是传统推挽结构中的平衡音频功率放大器的原理框图，其使用了第一两级传统平衡放大器技术；以及

图10是图9所示的传统的平衡放大器的详细电路图。

具体实施方式

图1示出了本发明第一实施例的真空管平衡放大器原理框图，以及图2示出了详细电路图。

如图1所示，第一级是一种特殊类型的差动放大器，包括放大设备7和8，电阻器1、2、3和4以及电流源11。该第一级接收平衡输入信号(+INPUT&-INPUT)并提供两对反馈接口以便将随后的放大级之输出信号作为反馈给第一级用。

第二级又是另一种类型的特殊差动放大器，包括放大设备9和10、电阻器5和6以及电流源12。该第二级放大来自第一级的平衡信号，并保持该平衡信号再输送至随后的放大级或输出功率级。

进一步的细节如图2A所示。平衡放大器包括四对双真空管：36和37、38和39、49和50以及51和52。这些可以是任何通用的小信号真空管，例如12AT7、12AU7、12AX7、6DJ8、6SN7以及6SL7等等。

输入级是由真空管36和37，以及38和39形成的特殊差动放大器。电阻器34和35是用于减少信号增益同时增加该级线性的局部反馈电阻器。它们也减少直流偏压中的真空管38和39的失配。真空管36和37的阴极分别连接到真空管38和39的阳极(anode；又名屏极，plate)。恒流源40，其连接到负直流电源电压VS2，用于设定输入级的总直流偏压电流。恒流源40能易于通过结型场效应晶体管(JFET)，双极结式晶体管(BJT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，再加上互补元件齐纳二极管和电阻器而实现。在一些实际情况下，电流源可以由单电阻器代替。电阻器30、31、32和33形成分压器，连接于正直流电源VS1和地之间，其分别设定真空管36和37的栅极(grid)的正确的直流偏压。输入级的输出通过连接于真空管36和37的阳极和正直流电源VS3之间的电阻器43和44直接连接到第二级，而电阻器43和44与第二级的真空管51和52的栅极连接。

第二级是另一差动放大器，其由真空管49和50，以及51和52形成。这差动放大器具有较低输出阻抗从而驱动功率放大器的输出功率级。第二恒流源53用于设定第二级的直流偏压电流。

真空管51和52通过它们各自的阴极之间的电阻器46和47彼此连接，而第二恒流源53从电阻器46和47接地或负直流电源。真空管49和50的阴极通过电阻器45和48分别连接到真空管51和52的阳极，而真空管49和50的栅极也连接到真空管51和52的阳极。正直流电源VS3施加于真空管49和50的阳极上，而此平衡放大器的整个输出是通过第二级的真空管49和50的阴极。

在图1和2A中可以很容易地看出，在输入级中形成了两个反馈对。当输出功率级连接到该平衡放大器以形成一完整的平衡音频功率放大器时，存在连接反馈环对的两种可行方式。

图2B所示的平衡放大器是图2A中所示的简化方案。图2B中的配置省却了一对真空管49和50。可是，图2B所示的平衡放大器具有与图2A类似的特性，提供两对反馈接口。仅有的主要差别是图2B中电路的驱动能力小于图2A中的。在大多数应用中，这不是关键的。

如图2B所示，真空管56和57通过它们各自阴极间的电阻器54和55彼此连接，而恒流源58从电阻器54和55的结点接地或负直流电源。正直流电源VS3通过负载电阻59和60施加到真空管56和57的阳极上。

图3和4是原理框图，示出了两个音频功率放大器如何使用具有两个不同反馈连接的平衡放大器电路。图5A和6A分别示出了根据图3和4里的原理框图所代表的两个完整平衡音频功率放大器。

图3示出了使用图1的平衡放大器以及附加输出功率级的平衡音频功率放大器。输出功率级由第二级通过电容器13和14驱动。一旦信号传到输出级，该信号的电压和电流进一步由功率设备15和16(例如功率三极管、四极管或五极管)放大。最后，放大后的信号接着通过输出匹配变压器17输给负载。

除了两对反馈环的连接不同于图3之外，图4所示的平衡音频功率放大器具有与图3一样的结构。

如图5A和6A所示，输出功率级包含常见的“超线性”推挽结构连接的输出变压器及功率管71，72。该管可以是任何通用的功率管例如6L6、6V6、EL84、KT88、KT90和6550等。功率管71和72通过阴极(cathode)电阻器69、70以及旁路电阻器67和68来调整阴极偏压。这种类型的偏压技术也被称为“自偏压”。此外，设计者也可以选用“固定偏压”来代替自偏压。最后，功率管的输出信号通过输出匹配变压器75输给负载。图5A和6A分别示出根据图3和4所示的两种不同连接反馈环方式。

关于图5B和6B，它们是图5A和6A所示电路布置的简化方案，且省却了一对真空管49和50。

从图5A和5B中可以很容易看出，偏压电阻器30和33可以从电路中省略。在这种情况下，图5A的反馈电阻器76和80跟图5B的电阻器84和88能同时兼起偏压和反馈电阻器的作用。

可以看出，在根据本发明的新真空管平衡放大器中，设有两对反馈环。第一对反馈环可以应用于输入级和第二级之间，而第二对反馈环可以应用于输入和输出功率级之间。因为使用了两对反馈环，反馈的总量能通过多种不同方式分配在两对反馈环中。同时，每对反馈环可以只传递少量的反馈。通过将适量的反馈应用在每对反馈环上，设计者可以较容易获得所追求的最佳平衡放大器性能。

本发明使用两对反馈环的优点包括：

(a)因为第一对反馈环连接在输入和第二级之间，所以线性和带宽增加并且对于这两级的输出阻抗减小。这是非常理想的性能，使推动输出功率级时有更优越的效果。

(b)每对反馈环可以只需传递少量的反馈，因此可以很容易地控制放大器的整体稳定性。因为两对反馈环赋予的方便，设计者在优化整个功率放大器的性能时就具有很高的自由度，以便在不危害放大器稳定性的情况下获取最理想的性能。

应该理解上面仅仅描述出由本发明所例示的实施例，但在不偏离本发明精神的情况下可以进行多种修改和/或替换。

同时应该理解本发明的某些特征，为了清楚起见，本文多以描述单独实施例，但它们可以合并成一个更复杂的方案。反之，有些本文为了简要以单独实施例描述的各种特征，却可以单独或任何适合的次结合提供。

Claims

1、一种包含至少两级的平衡放大器，其中输入级接收平衡信号及将信号放大后输给所述第二级，其中所述输入级设有两对反馈接口，其中至少一对反馈接口将所述第二级的输出信号一部分反馈给输入级，第二级放大输入级的输出信号并保持该信号的平衡。

2、根据权利要求1所述的平衡放大器，其中所述输入级包括形成第一组差动放大器的第一对和第二对真空管，其中所述第一对真空管适于放大所述输入信号，其中所述第一对真空管通过它们各自阴极之间的两个电阻器彼此连接，以及其中电阻器或恒流源从所述两个电阻器的结点连接至一负直流电源。

3、根据权利要求2所述的平衡放大器，其中所述恒流源的组成可以为JFET、MOSFET、BJT、真空管，还有齐纳二极管和电阻器或仅为电阻器。

4、根据权利要求2所述的平衡放大器，其中所述输入级的第二对真空管的阴极分别连接到所述第一对真空管的阳极，以及其中所述分压器在正直流电源和地之间连接。

5、根据权利要求4所述的平衡放大器，其中所述分压器包括四个电阻器。

6、根据权利要求4所述的平衡放大器，其中所述分压器分别连接于所述第二对真空管的栅极处并因此建立所需的直流偏压。

7、根据权利要求2所述的平衡放大器，其中所述输入级的输出通过所述第二对真空管的阳极和正直流电源之间连接的两个负载电阻器。

8、根据权利要求7所述的平衡放大器，其中所述输入级的输出信号适于通过在两个电阻器直接连接到所述第二级，该两个电阻器连接在所述输入级所述第二对真空管的阳极和所述第二级的一对真空管的栅极之间。

9、根据权利要求1所述的平衡放大器，其中所述第二级包括具有第一和第二对真空管而组成的差动放大器，其中所述第二级的所述第一对真空管适于放大来自所述输入级的输出信号，以及其中所述第二级的所述第一对真空管通过它们各自阴极之间的两个电阻器彼此连接，以及一恒流源从所述两个电阻器接地或负直流电源。

10、根据权利要求9所述的平衡放大器，其中所述恒流源的组成可以为JFET、MOSFET、BJT、真空管，还有齐纳二极管和电阻器或仅为电阻器。

11、根据权利要求9所述的平衡放大器，其中所述第二级的第二对真空管的阴极通过电阻器分别连接到所述第二级的第一对真空管的阳极，同时所述第二级的第二对真空管的栅极连接到所述第二级的第一对真空管的阳极。

12、根据权利要求11所述的平衡放大器，其中所述正直流电源施加到所述第二级的第二对真空管的阳极上。

13、根据权利要求11所述的平衡放大器，其中所述的平衡放大器的整个输出适于通过所述第二级的第二对真空管的阴极。

14、根据权利要求1所述的平衡放大器，其中所述第二级包括一对通过它们各自阴极间的电阻器彼此连接的真空管，以及其中所述电阻器和恒流源从所述两个电阻器的结点接地或负直流电源。

15、根据权利要求14所述的平衡放大器，其中所述恒流源的组成可以为JFET、MOSFET、BJT、真空管，还有齐纳二极管和电阻器或仅为电阻器。

16、根据权利要求14所述的平衡放大器，其中所述正直流电源通过两负载电阻施加到所述第二级的所述真空管的阳极上。

17、根据权利要求1所述的平衡放大器，进一步包括一功率输出级，成为一平衡音频功率放大器。

18、根据权利要求17所述的平衡放大器，其中所述两对反馈环的第一对将所述第二级的输出连接到在所述第一级上的所述第二对反馈接口以及所述两对反馈环的第二对将所述功率输出级的输出连接到所述第一级上的所述反馈接口。

19、根据权利要求17所述的平衡放大器，其中所述两对反馈环的第一个将所述第二级的交叉输出连接到所述输入级上的所述第一对反馈接口，以及所述两对反馈环的第二对将所述功率输出级的交叉输出连接到所述输入级上的所述第二反馈接口。

20、根据权利要求17所述的平衡放大器，其中所述功率输出级包括一对自偏压或固定偏压的功率三极管、二极管或五极管，并驱动输出匹配变压器。