CN202261177U - 一种低失真变压器输出的晶体管音频功率放大电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种低失真变压器输出的晶体管音频功率放大电路，由低压放大的差分放大部分和高压放大的共基极放大部分组成；所述低压放大的差分放大部分由偏置电阻、共发射极连接的差分对晶体管、恒流源组成，所述高压放大的共基极放大部分由输出变压器、共基极连接的差分对晶体管组成，本实用新型用晶体管取代了电子管作为功率放大管，克服了电子管寿命短、失真大等缺点，采用差分放大使流过变压器的两组初级线圈的直流电流方向相反，克服了变压器磁饱和引起的音质劣化的缺点，本实用新型结构简单，功能多样，维修维护方便，且大大降低了成本，具有较强的实用价值和现实意义。

Description

一种低失真变压器输出的晶体管音频功率放大电路

技术领域

本实用新型涉及一种低失真变压器输出的晶体管音频功率放大电路，属于电子技术领域。

背景技术

目前，高保真(HiFi)音响功率放大电路包括电子管功率放大电路和晶体管功率放大电路两大类。电子管功率放大电路如图1所示，是以电子管作功率放大，在高电压、小电流下工作，利用变压器耦合将放大后的音频信号输给喇叭发声；晶体管功率放大电路如图2所示，是以晶体管作功率放大，在较低的电源供电下工作，电流较大，一般不用变压器输出，而是采用无变压器耦合方式(OTL)或无电容耦合方式(OCL)将放大后的音频电流直接输给喇叭发声。因此，在放音的音色上电子管功率放大电路和晶体管功率放大电路有较大差别，电子管功率放大电路具有甜美、圆润的所谓“胆味”，声场宽厚，有亲临现场感，对欣赏歌曲、民乐及戏剧内容的节目十分适宜，因此，备受音响发烧友的追捧和许多爱好品味经典音乐以及歌曲、民乐的人士的欣赏。而晶体管功率放大电路在这方面与电子管功率放大电路就有所欠缺，综合对比，电子管功率放大电路更具有悠雅柔情、婉转动听有韵味的特点，而晶体管功率放大电路由于深度负反馈引入的瞬态失真则会使音乐带来“冷、硬”感。

电子管功率放大电路虽然具有柔顺、甜美、圆润的声音特点，但与传统的晶体管功率放大电路相比，它也存在一些明显的缺点，它需要加热灯丝，这不仅会增加耗电、而且，更重要的是它会影响电子管的寿命。一般电子管的寿命为几千到几万小时，比起晶体管数十万仍至数百万小时的寿命短得多。另外，电子管的放大线性度也不及晶体管，会导致较大的失真，造成某种程度的音染。尤其是，若需选择特性一致的差分对管制作效率较高和功率较大的乙类(或甲乙类)推挽功率放大电路时，就会遇到管子配对困难的问题，失真度就更高。还有，由于制作电子管的加工精度仅为毫米或亚毫米级，不如晶体管的加工精度达微米级那样精密，因此，电子管的一致性和重复性不及晶体管，不利于工业化大生产。目前，晶体管产业化规模大、成本低，而电子管民用产品生产萎缩，好的电子管较难卖到或价格昂贵，不利于电子管功率放大电路的发展。电子管功率放大电路启动时需要预热一段时间，一般约需几十分钟才能进入稳定的最佳工作状态，不能即开即欣赏最佳音质的音乐播放，也是缺点之一。此外，电子管内阻大，致使管压降大，效率较低。

而在变压器作负载的情况下，作为放大用的功率晶体管的耐压就是一个大问题。因为一般在变压器作负载的情况下，晶体管的耐压至少要取电源电压的两倍以上为妥，否则晶体管容易因高压击穿而损坏，这是晶体管功率放大电路的致命缺陷。

由于材料特性所限，相比电子管，晶体管其耐压特性差，加之扬声器阻抗低，因此，一般晶体管功率放大电路均采用在低电压、大电流条件下工作。又由于为了获得高的增益，一般采用增益最高的共发射极的组态，如图3所示。而此组态电路输出端的击穿电压BVceo是随放大系数的增加减小的。放大系数越高，该击穿电压越低。目前在传统技术中还没有出现用晶体管取代电子管在300多伏以上高压供电下采用变压器耦合输出的HiFi音频功率放大电路。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的，以晶体管取代电子管既使其保持柔顺、甜美、圆润的声音韵味又具有晶体管的长寿命、高线性和一致性优点的低失真变压器输出的晶体管音频功率放大电路。

本实用新型由低压放大的差分放大部分和高压放大的共基极放大部分组成。所述低压放大的差分放大部分由偏置电阻、共发射极连接的差分对晶体管、恒流源组成，所述恒流源包括晶体管和偏置电阻，所述低压放大的差分放大部分的作用是对输入的小信号进行电流放大；所述高压放大的共基极放大部分由输出变压器、共基极连接的差分对晶体管组成，所述高压放大的共基极或共栅极放大部分的作用是对经过低压电流放大了的电流进行电压放大，并通过输出变压器的次级输出。所述低压放大的差分放大部分的差分对晶体管能够由差分集成电路来代替。

本实用新型所述一种低失真变压器输出的晶体管音频功率放大电路中的晶体管能够由场效应晶体管来代替，场效应晶体管的源极、漏极和栅极分别对应晶体管的发射极、集电极和基极。

本实用新型采用共基极组态的晶体管放大电路可以提高输出晶体管的耐压特性，使与输出变压器初级连接的晶体管可以工作在300-500V的高压下，与电子管功率放大器(俗称胆机)的高压工作条件相似。这种共基极组态电路的采用不仅可解决高压下带变压器感性负载作放大的耐压问题，也可获得比电子管功率放大电路更小的失真特性。由于没有大环路深度负反馈，故瞬态特性也可得到改善。

以双极晶体管共基极放大为例，可以通过以下晶体管的共基极放大系数α与共发射极放大系数β的关系式看出本实用新型所述之电路有更小的失真特性：α＝β/(1+β)或β＝α/(1-α)。假设晶体管在它的I-V特性曲线的某一区域其β1＝50，则对应的α1＝0.98039。若在另一区域的β2＝60，则α2＝0.98361。如果晶体管在共发射极放大时，信号由β＝50的区域变化到β＝60的区域，则β的变化率为60-50/50＝20％，但若采用共基极放大，它的共基极电流放大系数α仅变化为(0.98361-0.98039)/0.98039＝0.328％。这就是说，在上述情况下，共基极放大时所引入的失真远小于共发射极放大引入的失真。如果选取晶体管工作在β变化比50-60更小的线性区间，则它引入的失真会更小。会大大小于传统的电子管功率放大器的失真度(0.5-10％)的指标。

此外，根据双极晶体管击穿电压的公式BVceo＝BVcbo/β^(1/n)，其中n为大于1的系数，β一般可大于10，由双极晶体管击穿电压的公式可见共基极放大时输出端集电极与基极之间的反向击穿电压BVcbo比共发射极放大时输出端集电极与发射极的反向击穿电压BVceo高。这一特性有利于晶体管在高电压下工作和驱动变压器这样的电感负载，从而可以取代电子管，在几百伏的高压下进行音频功率放大。

本实用新型用晶体管取代了电子管作为功率放大管，克服了电子管寿命短、失真大等缺点，由于不用加热灯丝，减少了功率消耗和发热；也大大增加了功率放大电路的使用寿命。这种功率放大器具有线性度好、失真度小、音质好、声音甜美圆润、寿命长、一致性好、省电和适合大规模重复生产等优点，由于晶体管的工作电流比电子管大，有利于制作更大功率的放大器；无需电子管的预热时间，开机即可享受甜美动听的音乐；采用差分放大使流过变压器的两组初级线圈的直流电流方向相反，克服了变压器磁饱和引起的音质劣化的缺点，低压功率放大电路采用具有恒流源的差分放大可以限制各晶体管的最大电流，避免晶体管过热烧毁；本实用新型结构简单，功能多样，维修维护方便，且大大降低了成本，具有较强的实用价值和现实意义。

附图说明

图1是传统的电子管功率放大电路图；

图2是传统的晶体管功率放大电路图；

图3是传统的带变压器负载的晶体管放大电路图；

图4是本实用新型所述一种低失真变压器输出的晶体管音频功率放大电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细描述。如图4所示，本实用新型由低压放大的差分放大部分和高压放大的共基极放大部分组成。所述低压放大的差分放大部分包括左上偏置电阻1、左中偏置电阻2、左下偏置电阻3、由中左晶体管4和中右晶体管5组成的共发射极连接的差分对晶体管、右上偏置电阻9、右中偏置电阻8、右下偏置电阻10与恒流源，所述恒流源包括下晶体管6和下偏置电阻7。所述高压放大的共基极放大部分包括输出变压器13、由上左晶体管11、上右晶体管12组成的共基极连接的差分对晶体管。所述低压放大的差分放大部分的差分对晶体管中左晶体管4和中右晶体管5能够由差分集成电路来代替。

所述低压放大的差分放大部分对经过低压电流放大了的电流进行电压放大，并通过输出变压器13的次级输出；V_B为下晶体管6的基极电压，Vcc为高压直流电源的正端，它的负端接地。V_EE为低压直流电源的负端，它的正端接地。上左晶体管11、上右晶体管12是能够在高电压下工作的差分对晶体管。音频信号由输入端IN输入，由输出端OUT输出至扬声器。

本实用新型的工作原理如是：前级输入的音频信号通过耦合电容或变压器耦合或直接耦合至差分放大器，在低压下进行电流放大。放大后的电流信号输入到上左晶体管11和上右晶体管12的发射极(或场效应晶体管的源极)再进行电压放大。然后通过输出变压器13将放大了功率的音频信号输出到扬声器发出声音。上左晶体管11和上右晶体管12上的饱和压降仅为2V左右，比电子管阳极50V-80V的饱和压降小很多。这说明在同样的高电压供电情况下，本实用新型具有更大的动态范围且在大功率信号的情况下产生在晶体管上的功耗更小，效率更高。由于上左晶体管11和上右晶体管12是双极晶体管共基极放大或场效应晶体管共栅极放大，因此它具有更小的失真和更高的耐压。

若欲获得更大的增益，只要在本实用新型的基础上在低压回路中再加入一级差分功率放大电路或常规的单晶体管放大电路即可。若欲获得更大的功率输出，则可将几个晶体管并联替代上左晶体管11和上右晶体管12来加大功率，只要在每个晶体管的发射极串一个电阻，就可使各管上的功率分配大致相等。对于场效应晶体管(MOSFET)的共源极放大也能够采用这种方法，由于其只进行电压放大，所以引入的失真极小。

本实用新型的低压放大的差分放大部分不仅可采用单端输入，也能够采用平衡式输入，这只需将正、负两路待放大的音频信号分别接至差分对晶体管的中左晶体管4和中右晶体管5的输入端即可；此外，它不仅可做推挽放大，也可实现单端放大，在实现单端放大时，只需保留上左晶体管11或上右晶体管12中的一个，将低压放大的差分放大部分中的与去掉的上左晶体管11或上右晶体管12对应的中左晶体管4或中右晶体管5的输出端改为接地，再将未去掉的上左晶体管11或上右晶体管12所接的输出变压器改用单端输出变压器即可。

所述中左晶体管4、中右晶体管5、上左晶体管11、上右晶体管12、下晶体管6能够部分或全部由场效应晶体管来代替，所述场效应晶体管的源极、漏极和栅极分别对应晶体管的发射极、集电极和基极。

本实用新型在实际测试中测得最小失真度达到0.1％左右，比传统的电子管功率放大器(一般失真度为0.5-10％)的失真度有明显的降低。声音效果的改善非常明显，达到了预期的结果。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种低失真变压器输出的晶体管音频功率放大电路，其特征在于，包括：由低压放大的差分放大部分和高压放大的共基极放大部分，所述低压放大的差分放大部分包括左上偏置电阻(1)、左中偏置电阻(2)、左下偏置电阻(3)、由中左晶体管(4)和中右晶体管(5)组成的共发射极连接的差分对晶体管、右上偏置电阻(9)、右中偏置电阻(8)、右下偏置电阻(10)与恒流源，所述恒流源包括下晶体管(6)和下偏置电阻(7)，所述高压放大的共基极放大部分包括输出变压器(13)、由上左晶体管(11)、上右晶体管(12)组成的共基极连接的差分对晶体管。

2.根据权利要求1所述的一种低失真变压器输出的晶体管音频功率放大电路，其特征在于，所述低压放大的差分放大部分的差分对晶体管中左晶体管(4)和中右晶体管(5)能够由差分集成电路来代替。

3.根据权利要求1所述的一种低失真变压器输出的晶体管音频功率放大电路，其特征在于，所述中左晶体管(4)、中右晶体管(5)、上左晶体管(11)、上右晶体管(12)、下晶体管(6)能够部分或全部由场效应晶体管来代替：所述场效应晶体管的源极、漏极和栅极分别对应晶体管的发射极、集电极和基极。

4.根据权利要求1所述的一种低失真变压器输出的晶体管音频功率放大电路，其特征在于，所述的低压放大的差分放大部分不仅可采用单端输入，也能够采用平衡式输入，这只需将正、负两路待放大的音频信号分别接至差分对晶体管的中左晶体管(4)和中右晶体管(5)的输入端即可；在实现单端放大时，只需保留上左晶体管(11)或上右晶体管(12)中的一个，将低压放大的差分放大部分中的与去掉的上左晶体管(11)或上右晶体管(12)对应的中左晶体管(4)或中右晶体管(5)的输出端改为接地，再将未去掉的上左晶体管(11)或上右晶体管(12)所接的输出变压器改用单端输出变压器即可。

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