WO2013120393A1

WO2013120393A1 - 简洁高效的超级功率放大器

Info

Publication number: WO2013120393A1
Application number: PCT/CN2013/000090
Authority: WO
Inventors: 金海辉
Original assignee: Jin Haihui
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2013-08-22
Also published as: CN102594263A

Abstract

简洁高效的超级功率放大器是一款应用了互补晶体管偏流补偿电压源电路的功率放大器。设计的目标是在简洁和小静态电流偏置的条件下，实现大功率电流输出条件下的甲类信号放大。方法是：给功放设置一个较小的静态偏流，动态时随着功率电流输出的增加和减少，补偿电路实时适量调节功放末级的偏置电流，补偿功率管动态时的偏流损失，从而实现可持续的甲类信号放大要求，使功放有甲类的音质又有乙类的效率。其核心偏流补偿电路只用了两个互补晶体管的组合就实现了上述功能，电路简洁明快，主信号放大回路相比传统电路没有任何改变，创新集中在恒压源电路上，总体电路非常简洁。

Description

简洁髙效的超级功率放大器

技术领域：

本发明涉及电信号的髙保真大功率放大领域，对一些需要大功率高保真信号输出的场合特别适用。这个电路可以同时实现甲类的高保真和乙类的高效率，与传统甲类功放相比有更大的高保真电功率输出的同时也更加节能。与传统甲乙类功放相比，保持相等的电功率输出能力外还提升了信号重放的品质，达到甲类的效果。

背景技术：

一个完整的功率放大器电路一般由电压放大部分和电流放大部分二大部组成，电压放大部分作用是将弱小的输入信号电压进行放大；电流放大部分作用是使经电压放大级放大后的信号能够输出足够的电功率带动负载。比较常用的是两级电压放大加两级电流放大结构，其中第一电流放大级主要负责推动大功率晶体管也称推动级，第二电流放大级负责电功率的输出也称功率放大级。

现有研究已经证明好的高保真放大器在电路设计上有四个特点：一是全对称的电路结构，是指每级都是对称的正负电源臂放大结构，二是全互补的放大器件，是指功放每级的正负臂分别由互补的放大器件来构建，三是电信号的全对称全互补放大，是指在额定功率输出条件下，电信号在每一级对称放大后实现失真的互补，四是总体电路要简洁，这意味着更快的反应速度，更好的音质，更低的干扰，更低的成本。

全对称全互补结构的放大电路有以下好处:一是让晶体管本身的非线性失真进行互相抵消，使每一级的固有失真最小化，二是有更高的带负载能力。全互补全对称的硬件结构设计是比较容易的，但是在实际工作中要实现电信号的全对称全互补放大是困难的。最难点在于功率放大级，如果要在这一级实现电信号的对称互补放大，考虑到最大功率输出的要求，必须为功率管设定一个很大的静态电流，其值要大于额定功率输出条件下时最大输出电流的 1/2，这导致功放发热大效率低，发热量的增加对散热系统和功放电源也提出了更高的高求，从而限制了输出功率的进一步提高。如果设定一个较低的末级偏置电流，则会导致放大器在输出电流在大于两倍末级偏置电流时，其中一个功率管进入截止状态，虽然具有互补对称的硬件结构，却只有一只功率管对信号进行放大，从而破坏电信号在末级互补对称放大功能，导致非线性失真无法互补抵消，未级固有失真变大，非线性失真只能靠大环路的负反馈来消除，但是大环路负反馈这种结构也不是完美的，由于放大电路有响应延迟以及分布参数对瞬时信号的影响，在瞬时大动态信号输入时，电路固有失真大的缺点将被显现出来，产生新的谐波失真，这种失真称瞬态互调失真。

在实际应用中，根据功放的条件和实际听音需求，同一个功率放大器可以设置不同的末级静态偏置电流，当在额定功率输出条件下，功放能全程实现电信号的全对称全互补放大时，称为甲类偏置。在额定功率输出条件下，部分实现电信号的全对称全互补放大时称为甲乙类偏置。只给末级功率管提供一个门限开启电流，功率管轮流担负正负半周的输出，称为乙类偏置。从信号放大的质量来说，甲类〉甲乙类〉乙类，从效率上来说，乙类〉甲乙类〉甲类。

甲类偏置的特点是功率管的偏置电流要大于 1/2的最大输出电流，只有能满足达到这个条件，功率级才能实现电信号的互补对称放大，如此输出的额定功率越大，末级静态电流就越大。甲类偏置的功率放大器，优点是输出信号保真度最高。缺点是末级采用大电流偏置，效率很低，而且放大器发热量大，受电源和散热能力的限制额定输出功率相比甲乙类偏置低很多，适用于高保真和中低功率输出的场合。

乙类偏置是让两只互补功率管分别负担信号正负周期的功率放大，一只处于放大状态另一只载止，轮流工作于信号正负半周。优点是有较高的效率，能够输出较大的电功率，缺点是功率级未能实现电信号的互补对称放大，造成功率级的固有失真较大。难以担当高保真的要求，所以主要应用于大功率而品质要求不高的场合。

甲乙类是个折中形式，末级功率管偏置电流介于甲类与乙类之间，所以在小功率输出时，电路工作于甲类状态，当输出电功率较大时功率输出管处于乙类状态，此类电路适用于音质要求不太高，又能兼顾大功率输出的场合。

还有一种称为超甲类或准甲类的技术，号称兼顾音质与效率，但已有的该类技术在实际应用中，由于对髙保真放大原理上认识的不到位，所以效果都不好。表现在以下两方面。一是片面认为只要末级功率管都不进入截止，就是甲类了，这是没有认识到电信号在功率级的互补对称放大才是甲类音质的保证。二是为了达到设计目标，采用了非常复杂的电路或增加功放的级数，这是忽视了简洁性原则，造成了瞬态性能的恶化。

发明内容：

有没有一个功放电路，既有甲类偏置的音质也具有乙类偏置的效率，同时也符合简洁至上的理念呢？这就是本发明的初衷一一简洁简洁高效的超级功率放大器。通过对传统甲类功放全信号周期时的效率分析可知，甲类功放的低效率是表现在宏观上的，这是由于传统甲类功放为了满足大功率输出时电信号的互补对称放大要求，设置了很大的末级偏置电流，才导致了整体上的低效率。甲类功放的效率在瞬态时也是很高的。比如说一个功放，功率级的电源电压为正负 30V, 功率级静态偏置电流为 1. 8A。在 8欧姆负载下输出 100W电功率时，经计算可得输出电流为 3. 54A,这个输出电流小于 2倍静态电流，所以功放工作于甲类，可得出此时功率级的效率为 100W/1. 8A*2*30=92. 6%。所以说甲类功放不是没有髙效率，问题在于功率级的静态电流设在了满足最大功率输出所要求的点上，从而造成甲类功放在宏观上的低效。本发明的思路是为甲类功放设定一个较小的静态电流，使静态时的功耗减小，为了保证大功率输出时的甲类放大能力，电流放大级的偏置电流必须随着功率电流的输出增加而自动增加，使末级功率管进行可持续的甲类放大，当功率电流输出减小时，电流放大级偏置电流也减小，这样这款甲类功放的效率就可以大大提高，从而实现放大品质与效率的统一。

要解决的技术问题：

要想实现大功率髙效条件下电信号的全对称全互补放大，难点在功率级上，由于末级电流动态范围大, 考虑到最大功率电流的输出，必须要给功率级设定一个大的静态电流，当偏向音质时就要牺牲效率，当偏向效率就要牺牲音质。为了使功率级进行可持续高效率的甲类信号放大，就要为电流放大级设计一个偏流补偿电路，静态时为功率级提供一个较小的静态电流，随着功率电流输出的增加和减少，实时的调节电流放大级的偏置电流，以实现可持续的甲类放大能力，并且该电路还必须简洁。

技术方案：

要实现这个要求，可以通过以下方案来实现（见附图 1 )。用一个 P型晶体管（指 PNP型三极管或 P沟道场效应管） BG13构成的放大回路（也称 P型监测回路）监测功放电流放大级正臂的偏压 Uan。再用一个 N型晶体管（指 NPN型三极管或 N沟道场效应管） BG14构成的放大回路（也称 N型监测回路）监测功放电流放大级负臂的偏压 Upb。当 Uan和 Upb取推动管基极与输出中点之间的电压，那么 P点 N点与 0点重合， Uan-Uao, Upb=Uob,此种接法与功放主电路有三个连接点所以称三端型互补晶体管偏流补偿电压源电路（见附图 2)。 Uan和 Upb也可以取推动管基极与功率管发射极之间的电压，此种接法与功放主电路有四个连接点所以称四端型互补晶体管偏流补偿电压源电路 (见附图 3)。这两个取样信号分别输入到各自的监测回路，放大后形成各自监测管的集电极电流，将这两个互补监测管的集电极相连，让两个互补监测回路互为负载。这样连接将起到对弱输入变量选择性放大和电流输出的作用。设 BG13和 BG14是三极管并且其放大倍数相同，附属电路参数也对称，当 Uan=Upb时， I= P *ibl3= P *ibl4„ 当 UanHIpb时， I= P *ibl4, Uan<Upb 时， I=e*ibl3。由此可见两个取样信号经各自的监测回路放大后，当各自的集电极电流相同时，总集电极电流等于各自的分集电极电流，当各自的集电极电流有差别时，集电极电流相对较大的那个监测管将饱和，流过两互补管的集电极电流 I等于集电极电流相对较小的那个。 BG13, BG14集电极串联后两发射极之间形成的输出回路连接在功放两推动管的基级之间，与推动级的输入回路并联，一起作为第二电压放大级的负载。

第二电压放大级的静态电流在其上形成压降，此压降为推动级和功率级提供稳定的静态偏置，合理的调节流过监测回路的初始电流 I，就能使推动级和功率级工作于线性状态。在静态时， Uan=U_Pb，当前级因温度或电源波动 Uab增加时，功放电流放大级的偏置电压也将增加， BG13和 BG14取样到电压也增加，监测管总电流 I也增加，导致 Uab减少，电流放大级的偏流减小，形成负反馈，抑制偏流的增加。当因电源或温度波动引起 Uab减小时，功放电流放大级偏流减小，流过监测管的集电极电流 I也减小，电流放大级偏流增加，形成负反馈抑制偏流的减小，所以这个电路在静态时是一个恒压源电路。

在动态功率电流输出时，由于 Uao和 Ubo的变化方向相反，流过监测回路的输出电流 I将受控于功率级趋向截止的那一电源臂偏压，不论输出的功率电流是正向还是负向，随着输出电流值的增加，电流 I都会变小，变小的量与输出电流的绝对值相关。 I减小使 Uab增加，从而增加推动级和功率级的实时偏置电流，这样该新电路就实现了末级偏流补偿的功能。

这个电路通过三端型或四端型接法加入到功放电路后，静态时提供电流放大级稳定的静态偏置电流，动态时实时适量的调节电流放大级的偏流，保持功率管在小静态电流偏置条件下大电流输出时的甲类放大能力，根据此电路的作用可称其为 --一互补晶体管偏流补偿电压源电路，简称补偿电路。

有益效果：

当普通功率放大器采用了这个非常简单的补偿电路代替现时通常采用的单管恒压源偏置电路。将产生如下的有益效果。

1. 传统甲类功放在釆用该补偿源电路进行技术改造后，在不降低重放品质的前提下，能够大大提高功放的效率和输出功率；反过来讲，在保持相同输出功率条件下，则可以大大降低电源和散热器的成本。

2. 传统乙类功放采用该补偿源电路进行技术改造后，在不降效率的前提下，能够提高信号重放的品质，达到甲类的水准。

3. 在传统集成电路功放领域，由于受散热条件的限制，重放品质不高，采用本技术后，可以让集成电路功放的重放品质大大提高。

这个补偿电路解决了功放放大器效率与音质的矛盾，使现有的甲类功放有更高的效率和更大的高保真功率输出，使甲乙类或乙类功放实现放大品质的提高。

附图说明（见图 4，图 5，图 6, 图 7)

图 4是三端型互补晶体管单电阻偏流补偿电压源应用在功放电路中的实施例，图 5是四端型互补晶体管单电阻偏流补偿电压源应用实施例，图 6是三端型互补晶体管电阻分压偏流补偿电压源应用实施例，图 7是四端型互补晶体管电阻分压偏流补偿电压源应用实施例。这四个电路具有相同的工作原理和功能，是同一设计思路下的不同实现形式。

具体实施方式：

为了更好的理解该补偿电路在功放电路中的作用，下面结合图 4作详细说明。

电路通用放大部分采用了全对称和全互补的 0CL电路结构。采用这种结构是为了使每一级都实现固有失真的最小化，为电信号在功放中的全对称全互补放大提供硬件支撑。

功放电路的核心是三端型互补晶体管单电阻偏流补偿电压源电路（见虚线框内），在功放电路中该补偿电路位于第二电压放大级的输出端，与功放推动级的输入回路并联，共同构成第二电压放大级的负载，其上的直流压降为推动级和功率级提供稳定的静态偏置。

下面介绍补偿电路的工作原理。

P型晶体管 BG13的发射极接在 BG7的集电极与 BG9基极连接点 A上， N型晶体管 BG14的发射极接在 BG8的集电极与 BG10的基极连接点 B上， BG13的基极通过电阻 R18后接在输出中点 0， BG14的基极通过电阻 R19后接在输出中点 0。 BG13和 BG14的集电极相连，流过补偿电路的电流 I与推动级的输入电流共同构成了第二放大级的集电极输出电流，补偿电路上的压降为功放电流放大级提供了偏置电压。

在静态或信号零点时， Uao等于 Uob, 两监测管中流过的电流相同。当温度变化或电源波动导致 AB间有共模信号加入导致 Uab增大时， Uao和 Uob同时增大，补偿电路中流过的电流 I也加大，导致 Uab减小，抵消了这个共模信号对后级的影响。 Uab减小时，流过补偿电路中的 I也减小，导致 Uab增加，起到稳定偏压变化的作用，所以这个电路在静态时能起到恒压源作用，抑制前级的共模干扰信号。

当信号处于正半周时，电压信号经电压放大级放大后， A点 B点 0点电位都将升髙，这时功放对外输出正向电流，这时 BG11集电极电流增加， Uao增加， BG12集电极电流减小， Uob下降。 Uao>Uob,流过补偿电路的电流 I受控于 Uob也将减小，导致 Uab增加，从而增加了电流放大级的偏置电流。这个增加量补偿了功率管 BG12因电流输出而导致的电流减小，使其保持其与静态时差不多的偏置电流。

信号处于负半周时， A点 B点 0点电位都将降低，这时功放输出负向电流， BG12电流增加， Uob增加， BG11电流减小， Uao下降。由于 UaoOJob, 流过 BG13和 BG14的集电极电流 I将跟随 Uao的变化而减小，导致 Uab增加，电流放大级的偏置电流将增加，使 BG11的电流保持与静态时差不多的电流。

如此可见，补偿电路的加入使功放实现了低静态电流条件下的大功率甲类信号放大能力。

接下来分析本实施例电路输出的电流是否如甲类电路一样实现了失真互补。

设功放末级的静态电流为 10mA, 分析其能不能以甲类状态输出最大值为 1A的高保真功率电流。由于信号总是连续的，下一刻总是上一刻的继承与发展，下面用微分法进行分析，步长设定为 lmA。第一时刻，功率输出电流从 0上升到 1mA时，由于功放输出电流小于偏置电流，此时功率管处于甲类，输出电流由 BG11和 BG12共同负担， BG11的集电极电流从 10mA增加到了 10. 5mA， BG12的集电极电流从 10mA减少到了 9. 5mA。这个结果导致 Uao上升， Uob下降，这时补偿电路中的电流 I减少，末级偏流将增加，使 BG12集电极电流大致保持在 10mA左右，补偿后 BG11的集电极电流则增加到 llmA。此时电路相当于末级偏置电流为 10. 5mA的普通甲类功放输出 1mA电流时的那个状态。第二时刻输出电流从 1mA增加到了 2mA。此时， BG11的集电极电流为 11. 5mA， BG12的集电极电流为 9. 5mA，同样经偏流补偿电路补偿后， BG11的集电极电流为 12mA， BG12的集电极仍为 10mA, 此时本功放相当于末级偏置电流为 11mA的普通甲类功放输出 2mA时的那个状态。以此类推到输出 1A电流时， BG11的集电极电流为 1009. 5mA, BG12的集电极电流为 9. 5mA, 经补偿后， BG11集电极为 1010mA，BG12集电极电流为 10mA。相当于末级偏流为 510mA的普通甲类功放输出 1A 电流时的那个状态。当输出电流再从 1A减少到 999mA时， BG11 的集电极电流为 1009. 5mA, BG12集电极电流为 10. 5mA, Uao相比上一刻减小， Uob则加大，但是 Uao还是远远大于 Uob, BG13 还是饱和，但是 BG14的基极电流相比上刻增加，所以 I相比上一刻是增加的，这将导致功率级偏置电流的减少。补偿后， BG12集电极电流将维持 10mA左右。 BG11的集电极电流为 1009mA。此时电路相当于普通甲类电路末级偏流为 509. 5mA时输出 999mA电流时的那个状态。其余以此类推。

从上面分析可以看出，在每一时刻，电路总是工作于甲类状态，功率管 BG11和 BG12始终都处于放大状态，信号在功放全程每一时刻都是进行互补对称放大的。

由此可以看出本电路在输出电流大于 2倍末级偏置电流时，功率级还是工作于失真互补状态的。固有失真在功率级实现了最小化，功放整体如同甲类偏置时一样，实现了全对称全互补的电信号放大，这款功放电路兼顾了甲类和乙类偏置的优点，克服了他们的缺点，并且电路非常简洁，相比传统功放只增加了一个晶体管，所以称这个功放电路为简洁髙效的超级功率放大器。工业实用性：

该补偿源电路，使用两个互补晶体管的组合，实现了整个功放电路电信号的互补对称放大功能，使用的元器件是市场上都能买到的，对现行技术进行改造简单易行，成本低廉，有电子技术基本技能的人都能独立完成改造，这个补偿源电路的大规模应用，能推动功率放大器行业进行整体低成本的技术升级。

Claims

1. 互补晶体管偏流补偿电压源电路，用一个 P型晶体管构成的放大回路监测功放电流放大级正电源臂的偏置电压 Ua 用一个 N型晶体管构成的放大回路监测功放电流放大级负电源臂的偏置电压 Upb, 将这两个互补监测管的集电极（或漏极）相连，两监测管发射极（或源极）形成控制电流的输出通路，该电流通路与功放电流放大级输入回路并联后成为电压放大级的负载，该电路有以下特点：静态时，为功放电流放大级提供稳定的静态偏压，起到稳压源的作用，动态时，根据功放电流放大级正负电源臂的偏置电压 Uan和 Upb变动，进行弱输入变量选择性放大和电流输出，输出的控制电流实时适量调节电流放大级的偏置电流，使功率级工作于高效的甲类放大状态。

2. 三端型互补晶体管偏流补偿电压源电路，根据权利 1，用一个 P型晶体管构成的放大回路监测推动管 BG9 基极 a点与输出中点 0点的电压 Uao，用一个 N型晶体管构成的放大回路监测推动管 BG10基极 b点与输出中点 o之间的电压 Uob, 将这两个互补监测管的集电极（或漏极）相连，两监测管的发射极（或源极) 形成控制电流的输出通路，该电流通路与功放推动级输入回路并联后成为电压放大级的负载，该电路有以下特点：静态时，为功放电流放大级提供稳定的静态偏压，起到稳压源的作用，动态时，根据取样信号 Uao和 Uob, 进行弱输入变量选择性放大和电流输出，输出的控制电流实时适量调节电流放大级的偏置电流，使功率级工作于髙效的甲类放大状态。

3. 四端型互补晶本管偏流补偿电压源电路，根据权利 1，用一个 P型晶体管构成的放大回路监测推动管 BG9 基极 a点与功率管 BG11发射极 n点之间的电压 Uan,用一个 N型晶体管构成的放大回路监测推动管 BG10 基极 b点与功率管 BG12发射极 p点之间的电压 Upb，将这两个互补监测管的集电极（或漏极）相连，两监测管的发射极（或源极）形成控制电流的输出通路，该电流通路与功放电流放大级输入回路并联后成为电压放大级的负载，该电路有以下特点：静态时，为功放电流放大级提供稳定的静态偏压，起到稳压源的作用，动态时，根据取样信号 Uan和 Upb, 进行弱输入变量选择性放大和电流输出，输出的控制电流实时适量调节电流放大级的偏置电流，使功率级工作于高效的甲类放大状态。

4. 三端型互补晶体管单电阻偏流补偿电压源电路，根据权利 2, P型监测管和 N型监测管的集电极（或漏极）相连，两个监测管发射极（或源极）之间形成控制电流的输出通路， P型监测管的基极（栅极可不串联电阻 R18) 串联电阻 R18后接在功放输出中点 O点，发射极（或源极）接在推动管 BG9的基极 A 点， N型监测管的基极（栅极可不串电阻 R19)串联电阻 R19后接在功放输出中点 O点，发射极（或源极）接在推动管 BG10的基极 B点，有一种变形结构，将 R18从 P型监测管的基极移动到发射极， R19 从 N型监测管的基极移动到发射极，这两种形态电路的特点是，以中点 0为基准.，将功放电流放大级总偏压 Uab分成正电源臂偏压 Uao和负电源臂偏压 Uob，作为取样信号分别输入到 P型和 N型分监测放大回路，静态时，该电路起到稳压源的作用，动态时，补偿电路输出电流 I受控于 Uao和 Uob中绝对值较小的那个，实时适量调节电流放大级的偏置电流，使功率级工作于髙效的甲类放大状态。

5. 三端型互补晶体管电阻分压偏流补偿电压源电路，根据权利 2， P型监测管和 N型监测管的集电极（或漏极）相连，两个监测管发射极（或源极）之间形成控制电流的输出通道， P型监测管的发射极接在推动管 BG9的基极 A点，基极串联电阻 R18后接在功放输出中点 O点， R20并联在 P型监测管的发射极

(或源极）与基极（或栅极）之间， N型监测管的发射极（或源极）接在推动管 BG10的基极 B点，基极串联电阻 R19后接在功放输出中点 0点， R21并联在 N型监测管的发射极（或源极）与基极（或栅极）之间，电路特点是：以中点 O为基准，将功放电流放大级总偏压 Uab分成正电源臂偏压 Uao和负电源臂 Uob，分别经电阻分压后作为取样信号，分别输入到 P型和 N型分监测放大回路，静态时，该电路起稳压源的作用，动态时，补偿电路输出电流 I受控于 Uao和 Uob中绝对值较小的那个，实时适量调节电流放大级的偏置电流，使功率级工作于高效的甲类放大状态。

6. 四端型互补晶体管单电阻偏流补偿电压源电路，根据权利 3 , P型监测管和 N型监测管的集电极（或漏极）相连，两个监测管发射极（或源极）之间形成控制电流 I的输出通道， P型监测管的发射极（或源极）接在推动管 BG9的基极 A点，基极（栅极可不串电阻 R18) 在串联电阻 R18后接在功率管 BG11 发射极的 N点， N型监测管的发射极（或源极）接在推动管 BG10的基极 B点，基极（栅极可不串电阻 R19) 串联电阻 R19后接在功率管 BG12的发射极 P点，有一种变形结构，将 R18从 P型监测管的基极移动到发射极， R19从 N型监测管的基极移动到发射极，这两种形态电路的特点：以同电源侧推动管和功率管的基射偏压叠加电压 Uan和 Upb作为取样电压，静态时，电路起到稳压源的作用，动态时，补偿电路输出电流 I受控于 Uan和 Upb中绝对值较小的那个，实时适量调节功率级的偏置电流，使功率放大级工作于高效的甲类放大状态。

7. 四端型互补晶体管电阻分压偏流补偿电压源电路，根据权利 3， P型监测管和 N型监测管的集电极（或漏极）相连，两个监测管发射极（或源极）之间形成控制电流 1的输出通道， P型监测管的发射极（或源极）接在推动管 BG9的基极 A点，基极（或栅极）串联 R18后接在功率管 BG11发射极的 N点，发射极（或源极）与基极（或栅极）之间并联电阻 R20， N型监测管的发射极（或源极）接在推动管 BG10 的基极 B点，基极（或栅极）串联 R19后接在功率管 BG12的发射极 P点，发射极（或源极）与基极（或栅极）之间并联电阻 R21，电路的特点：以同电源侧推动管和功率管的基射偏压相加后形成的偏压 Uan 和 Upb作为取样信号，静态时，电路起到稳压源的作用，动态时，补偿电路输出电流 I受控于 Uan和 Upb中绝对值较小的那个，实时适量调节功率级的偏置电流，使功率放大级工作于高效的甲类放大状态。