CN203827296U - 高线性音频限幅放大电路 - Google Patents

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张�杰
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Abstract

一种高线性音频限幅放大电路，限幅模块包括电阻R1、JFET、线性补偿单元和恒流偏置单元；电阻R1的一端构成限幅模块的输入端，另一端连接到JFET的漏极；线性补偿单元的输入端连接到JFET的漏极，输出端连接到JFET的栅极；恒流偏置单元的输出端连接到JFET的栅极；JFET的源极接地，漏极连接到放大模块的输入端；放大模块由两个以上放大单元级联而成；反馈模块包括检波单元和低通滤波单元；检波单元的输入端连接到放大模块的输出端，输出端连接到低通滤波单元的输入端；低通滤波单元的输出端连接到JFET的栅极。本实用新型的有益效果在于，克服传统音频限幅电路线性度差的缺点，有效地解决了限幅放大的失真度问题。

Description

高线性音频限幅放大电路
技术领域
本实用新型涉及电子电路技术领域，具体而言是一种高线性音频限幅放大电路。
背景技术
由于音频信号的波动较大，且不同音频信号源的输出幅值差别也较大，所以，如果在音频信号的接收过程中，接受到幅值较大的输入信号时，则输出的音频信号会发生失真，甚至会损坏扬声器。因而，期望放大电路的增益随输入信号的强弱而变化，即输入弱信号时，放大电路的增益高；输入信号强时，放大电路的增益低，以减小输入信号强弱的影响，达到对幅值差异很大的输入信号都能实现正常放大的功能；同时，放大后的信号应保持较低的失真度。
现在，限幅放大器的种类很多，从二极管钳位限幅，到增加自动音量控制电路，都可以解决输出幅值过大的问题。但是，对音频限幅电路的线性度和失真度的关心却不足，导致现有限幅电路中的失真度比较高。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种高线性音频限幅放大电路，使输入信号可以在放大区和限幅区都实现低失真放大，并且输出共模电平不随工作状态的改变而改变。
实现本实用新型目的的技术方案如下：一种高线性音频限幅放大电路，包括限幅模块、放大模块和反馈模块；
限幅模块：包括电阻R1、JFET、线性补偿单元和恒流偏置单元；电阻R1的一端为限幅模块的输入端，另一端连接到JFET的漏极；线性补偿单元的输入端连接到JFET的漏极，输出端连接到JFET的栅极；恒流偏置单元的输出端连接到JFET的栅极；JFET的源极接地，漏极连接到放大模块的输入端；
放大模块：由两个以上放大单元级联而成；
反馈模块：包括检波单元和低通滤波单元；检波单元的输入端连接到放大模块的输出端，输出端连接到低通滤波单元的输入端；低通滤波单元的输出端连接到JFET的栅极。
进一步地，所述线性补偿单元：运算放大器Amp2的同相输入端为线性补偿单元的输入端IN1，反相输入端接电阻R13和电阻R12，电阻R12的另一端接地，电阻R13的另一端接运算放大器Amp2的输出端和电阻R14，电阻R14的另一端为线性补偿单元的输出端OUT1；电阻R15的一端接线性补偿单元的输出端OUT1，另一端接地；其中，R12=R13，R14=3R15。
进一步地，所述恒流偏置单元：电阻RI1一端连接到电源正极，另一端连接到三级管QI2的集电极；电阻RI2一端连接到三级管QI2的发射极后接地，另一端连接到三级管QI1的发射极；三极管QI1的基极连接到三极管QI2的集电极，三极管QI1的发射极连接到三极管QI2的基极，三极管QI1的集电极为恒流偏置单元的输出端。
进一步地，所述检波单元：运算放大器Amp4的同相输入端为检波单元的输入端IN2，反相输入端接电阻R33和二极管D31的阳极后构成检波单元的输出端OUT2；电阻R33的另一端接地；运算放大器Amp4的输出端接电阻R32，电阻R32的另一端接二极管D31的阴极。
进一步地，所述滤波单元：运算放大器Amp5的反相输入端接电阻R34和电容C32，电阻R34的另一端为滤波单元的输入端IN3，电容C32的另一端接运算放大器Amp5的输出端；运算放大器Amp5同相输入端接参考电压Vref1，输出端接二极管D32的阳极，二极管D32的阴极为滤波单元的输入端OUT3。
进一步地，所述放大单元：运算放大器Amp3的反相输入端接电阻R22和电阻R21，电阻R22的另一端为放大单元的输入端IN4，电阻R21的另一端接运算放大器Amp3的输出端后构成放大单元的输出端OUT4；运算放大器Amp3的同相输入端接电阻R23，电阻R23的另一端接地。
更进一步地，还包括输入缓冲级（4）和输出缓冲级（5）；
输入缓冲级（4）：运算放大器Amp1的同相输入端为信号输入端，反相输入端连接输出端后构成信号输出端；输入缓冲级（4）的信号输出端连接到限幅模块（1）的输入端；
输出缓冲级（5）：运算放大器Amp2的同相输入端为信号输入端，反相输入端连接输出端后构成信号输出端；输出缓冲级（5）的信号输入端连接到放大模块（2）的输出端。
本实用新型的有益效果在于，克服传统音频限幅电路线性度差的缺点，有效地解决了限幅放大的失真度问题，达到了1、可以对大信号进行限幅放大；2、输入信号可以在放大区和限幅区都实现低失真放大；3、输出共模电压不随工作状态的改变而改变；4、输入输出信号幅值大。
附图说明
图1是本实用新型的电路结构示意图；
图2是线性补偿单元的一个实施例的电路图；
图3是恒流偏置单元的一个实施例的电路图；
图4是检波单元的一个实施例的电路图；
图5是滤波单元的一个实施例的电路图；
图6是放大单元的一个实施例的电路图；
图7是一个实施例的限幅放大电路工作在非限幅区时的仿真结果；
图8是一个实施例的限幅放大电路工作在限幅区时的仿真结果。
具体实施方式
如图1所示，一种高线性音频限幅放大电路，限幅模块1包括电阻R1、JFET、线性补偿单元和恒流偏置单元；电阻R1的一端构成限幅模块1的输入端，另一端连接到JFET的漏极；线性补偿单元的输入端连接到JFET的漏极，输出端连接到JFET的栅极；恒流偏置单元的输出端连接到JFET的栅极；JFET的源极接地，漏极连接到放大模块2的输入端；放大模块2由两个以上放大单元级联而成；反馈模块3包括检波单元和低通滤波单元；检波单元的输入端连接到放大模块2的输出端，输出端连接到低通滤波单元的输入端；低通滤波单元的输出端连接到JFET的栅极。
上述技术方案中，限幅模块1通过控制工作在线性区的JFET和电阻分压达到限幅的目的。其中，线性区的JFET的电流表示为：沟道电阻与VGS的关系为：其中，β为与电压无关的参数常量，由JFET的沟道电阻表达式可见，JFET的沟道电阻中随电压VDS变化，导致沟道电阻出现非线性。线性补偿单元为JFET的栅极提供一个的补偿电压，补偿之后的栅源电压为此时，线性区的JFET的电流表达式为：沟道电阻与VGS的关系为：可见，此时JFET的沟道电阻仅与栅源电压成反比，消除了沟道电阻的非线性，增强限幅输出的线性度。恒流偏置单元为本模块提供一个合适的直流工作电压，使输出共模电压为零，具有最大的输出摆幅。
放大模块2可以由多个放大单元级联而成，这里采用两个放大单元级联。每个放大单元都采用带负反馈的放大器构成，多级放大单元级联，给每一级分配一个小增益，使每一级放大单元的放大倍数都可以精确地控制，同时还增强放大模块的线性度。
反馈模块3提供全局直流负反馈，用于稳定工作点和直流增益，为限幅模块1提供限幅信号。其中，检波单元是一个负电压检波电路，检波信号经过一个低通滤波电路，输出作用到JFET的栅极，调整JFET的沟道电阻，进而调整输出幅值。
上述技术方案中，还可以设置输入缓冲级4和输出缓冲级5。输入缓冲级4由运算放大器Amp1的同相输入端为信号输入端，反相输入端连接输出端后构成信号输出端；其信号输入端接输入信号源，信号输出端连接到限幅模块1的输入端。输入缓冲级4可以实现输入输出隔离，实现阻抗变换，减小对前级输出的影响，同时增强输出的驱动能力。输出缓冲级5由运算放大器Amp2的同相输入端为信号输入端，反相输入端连接输出端后构成信号输出端；其信号输入端接放大模块2的输出端，信号输出端为限幅放大电路的输出。输出缓冲级5可以实现输入输出隔离，实现阻抗变换，减小对前级输出的影响，同时增强输出的驱动能力。
图2是线性补偿单元的一个实施例的电路图。运算放大器Amp2的同相输入端构成线性补偿单元的输入端IN1，反相输入端接电阻R13和电阻R12，电阻R12的另一端接地，电阻R13的另一端接运算放大器Amp2的输出端和电阻R14，电阻R14的另一端构成线性补偿单元的输出端OUT1；电阻R15的一端接线性补偿单元的输出端OUT1，另一端接地；其中，R12=R13，R14=3R15。线性补偿单元实现输出为输入的
图3是恒流偏置单元的一个实施例的电路图。电阻RI1一端连接到电源正极，另一端连接到三级管QI2的集电极；电阻RI2一端连接到三级管QI2的发射极后接地，另一端连接到三级管QI1的发射极；三极管QI1的基极连接到三极管QI2的集电极，三极管QI1的发射极连接到三极管QI2的基极，三极管QI1的集电极为恒流偏置单元的输出端。
图4是检波单元的一个实施例的电路图。运算放大器Amp4的同相输入端构成检波单元的输入端IN2，反相输入端接电阻R33和二极管D31的阳极后构成检波单元的输出端OUT2；电阻R33的另一端接地；运算放大器Amp4的输出端接电阻R32，电阻R32的另一端接二极管D31的阴极。本实施例的检波电路为负电压检波电路，当输入电压小于时，其中，VBE为二极管D31的压降，输出为
图5是滤波单元的一个实施例的电路图。运算放大器Amp5的反相输入端接电阻R34和电容C32，电阻R34的另一端构成滤波单元的输入端IN3，电容C32的另一端接运算放大器Amp5的输出端；运算放大器Amp5同相输入端接参考电压Vref1，输出端接二极管D32的阳极，二极管D32的阴极构成滤波单元的输入端OUT3。输入电压的平均值小于Vref1时，输出为高电平，二极管D32将导通，作用于JFET的栅极，改变JFET的沟道电阻；输入电压的平均值大于Vref1时，输出为低电平，二极管D32反偏截止。
图6是放大单元的一个实施例的电路图。运算放大器Amp3的反相输入端接电阻R22和电阻R21，电阻R22的另一端构成放大单元的输入端IN4，电阻R21的另一端接运算放大器Amp3的输出端后构成放大单元的输出端OUT4；运算放大器Amp3的同相输入端接电阻R23，电阻R23的另一端接地。放大单元的放大倍数为放大倍数都可以精确地控制，同时由于负反馈的作用，增强放大模块的线性度。
图7是采用上述实施方式，限幅放大电路工作在非限幅区，输入信号频率为1kHz时，基于saber仿真软件下的仿真结果。此时输出幅值为1.6V（VPP），基波比最大谐波高出86.1dB。
图8是采用上述实施方式，限幅放大电路工作在限幅区，输入信号频率为1kHz时，基于saber仿真软件下的仿真结果。此时输出幅值为2.5V（VPP），基波比最大谐波高出51.9dB。

Claims (7)

1.一种高线性音频限幅放大电路，其特征在于，包括限幅模块(1)、放大模块(2)和反馈模块(3)； 
限幅模块(1)：包括电阻R1、JFET、线性补偿单元和恒流偏置单元；电阻R1的一端为限幅模块(1)的输入端，另一端连接到JFET的漏极；线性补偿单元的输入端连接到JFET的漏极，输出端连接到JFET的栅极；恒流偏置单元的输出端连接到JFET的栅极；JFET的源极接地，漏极连接到放大模块(2)的输入端； 
放大模块(2)：由两个以上放大单元级联而成； 
反馈模块(3)：包括检波单元和低通滤波单元；检波单元的输入端连接到放大模块(2)的输出端，输出端连接到低通滤波单元的输入端；低通滤波单元的输出端连接到JFET的栅极。 
2.如权利要求1所述的高线性音频限幅放大电路，其特征在于，所述线性补偿单元：运算放大器Amp2的同相输入端为线性补偿单元的输入端IN1，反相输入端接电阻R13和电阻R12，电阻R12的另一端接地，电阻R13的另一端接运算放大器Amp2的输出端和电阻R14，电阻R14的另一端为线性补偿单元的输出端OUT1；电阻R15的一端接线性补偿单元的输出端OUT1，另一端接地；其中，R12＝R13，R14＝3R15。 
3.如权利要求1所述的高线性音频限幅放大电路，其特征在于，所述恒流偏置单元：电阻RI1一端连接到电源正极，另一端连接到三级管QI2的集电极；电阻RI2一端连接到三级管QI2的发射极后接地，另一端连接到三级管QI1的发射极；三极管QI1的基极连接到三极管QI2的集电极，三极管QI1的发射极连接到三极管QI2的基极，三极管QI1的集电极为恒流偏置单元的输出端。 
4.如权利要求1所述的高线性音频限幅放大电路，其特征在于，所述检波单元：运算放大器Amp4的同相输入端为检波单元的输入端IN2，反相输入端接电阻R33和二极管D31的阳极后构成检波单元的输出端OUT2；电阻R33的另一端接地；运算放大器Amp4的输出端接电阻R32，电阻R32的另一端接二极管D31的阴极。 
5.如权利要求1所述的高线性音频限幅放大电路，其特征在于，所述滤波单元：运算放大器Amp5的反相输入端接电阻R34和电容C32，电阻R34的另一端为滤波单元的输入端IN3，电容C32的另一端接运算放大器Amp5的输出端；运算放大器Amp5同相输入端接参考电压Vref1，输出端接二极管D32的阳极，二极管D32的阴极为滤波单元的输入端OUT3。 
6.如权利要求1所述的高线性音频限幅放大电路，其特征在于，所述放大单元：运算放大器Amp3的反相输入端接电阻R22和电阻R21，电阻R22的另一端为放大单元的输入端IN4，电阻R21的另一端接运算放大器Amp3的输出端后构成放大单元的输出端OUT4；运算放 大器Amp3的同相输入端接电阻R23，电阻R23的另一端接地。 
7.如权利要求1至6中任一项所述的高线性音频限幅放大电路，其特征在于，还包括输入缓冲级(4)和输出缓冲级(5)； 
输入缓冲级(4)：运算放大器Amp1的同相输入端为信号输入端，反相输入端连接输出端后构成信号输出端；输入缓冲级(4)的信号输出端连接到限幅模块(1)的输入端； 
输出缓冲级(5)：运算放大器Amp2的同相输入端为信号输入端，反相输入端连接输出端后构成信号输出端；输出缓冲级(5)的信号输入端连接到放大模块(2)的输出端。 
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CN112260667A (zh) * 2020-11-09 2021-01-22 苏州坤元微电子有限公司 单限幅电路及双限幅电路

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