Btl型差動式音頻功率放大電路的製作方法

2023-09-19 15:53:00

Btl型差動式音頻功率放大電路的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種音頻功率放大電路。該電路的結構如附圖所示。該電路的結構特點為分為兩級放大，第一級為兩個放大器A1和A2構成的BTL功率放大電路，第二級放大器A3為差動輸入電壓放大器。第一級的兩個放大器一個是同相輸入電壓放大器，一個為反相輸入電壓放大器，兩個不同放大器輸出的信號為幅值相同相位相反的信號。第二級放大電路利用上一級電路輸出信號相位相反的特點，對兩個輸出信號進行差模放大。第一級放大電路兩輸出端之間連有RL電路以消除零點漂移對放大電路產生的影響，第二級的差動輸入電壓放大器合理利用第一級放大信號等幅反相的特點，保證輸出信號較低的失真。
【專利說明】BTL型差動式音頻功率放大電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種音頻功率放大電路，特別涉及一種利用BTL (平衡橋式功放電路)對微弱音頻信號進行差動放大的功率放大電路。
【背景技術】
[0002]BTL功率放大電路,是常見的功率放大電路。BTL (Balanced Transformer Less)電路，稱為平衡橋式功放電路。它由兩個對稱的OTL (無輸出變壓器功率放大電路)或OCL(無輸出電容直接耦合功率放大電路)組成。其中一個放大器的輸出是另外一個放大器的鏡像輸出，也就是說加在負載兩端的信號僅在相位上相差180°，負載上將得到原來單端輸出的2倍電壓，理論上來講電路的輸出功率將增加4倍。BTL電路能充分利用系統電壓，因此BTL結構常應用於低電壓系統或電池供電系統中。BTL形式不同於推挽形式，BTL的每一個放大器放大的信號都是完整的信號，只是兩個放大器的輸出信號反相而已。BTL電路的主要特點有:可採用單電源供電，兩個輸出端直流電位相等，有較強的電源共模抑制比，與0TL、OCL電路相比，在相同電源電壓、相同負載情況下，BTL電路輸出電壓可增大一倍，輸出功率可增大四倍，這意味著在較低的電源電壓時也可獲得較大的輸出功率。但是，由於BTL的兩個放大器不可能完全相同，兩個放大器存在零點漂移，且零點漂移量不完全相同，經過多級放大後這種零點漂移被相應的放大，造成較大的失真。上述為一種基於運算放大器的BTL功率放大電路，如果直接用上述電路驅動如揚聲器這樣的負載會有以下問題。第一，零點時(即輸入信號Uin為零)輸出電壓Uwtl和Uout2實際值都不為零，這是由於零點漂移廣泛存在於電子器件中，也包括運算放大器。解決這個問題的常用方案有兩種:一是使用兩種規格相同的集成運算放大器，使兩個集成運算放大器的零點漂移相互抵消，但是讓兩個集成運算放大器完全相同是不可能的，所以零點漂移的影響總存在；二是在Uwtl和Uout2之間接一濾波電容以過濾掉零點漂移帶來的直流成分，但是串接電容也會帶來失真問題，因為聲音這種信號是直流成分和交流成分疊加的結果，交流成分又可分為基波和高次諧波。串接電容的引入不利於低音(低頻波)的輸出，造成失真。同時，BTL電路兩輸出端相對稱，負載揚聲器處於懸浮不接地狀態，與OTL和OCL電路相比起來檢修工作有更多不便。

【發明內容】

[0003]針對上述問題，本發明所涉及的一種基於BTL功率放大電路和差動式功率放大電路組成的組合功率的放大電路。在充分利用普通BTL功率放大器優勢的基礎上，結合差動式功率放大電路提供了一種改進方案，有效地解決了普通BTL功率放大器零點漂移、放大失真、揚聲器懸浮不接地等問題。
[0004]本發明為了實現上述目的，可以使用以下方案:
[0005]本發明提供了一種音頻功率放大電路，用於驅動負載揚聲器，包括:第一電壓放大器(Al)的同相輸入端通過電阻器(R5)接入第二電壓放大器(A2)的反相輸入端，輸入電壓通過耦合電容(C5)輸入到所述第一電壓放大器(Al)，所述第一電壓放大器(Al)的同相輸入端連接電阻器(Rl)並接地，所述第一電壓放大器(Al)的反相輸入端與輸出端之間連接電阻器(R3)，在所述第一電壓放大器(Al)的反相輸入端與電阻器(R3)之間通過電阻器(R2)接地，所述第二電壓放大器(A2)的反相輸入端與輸出端之間連接電阻器(R6)，組成平衡橋式放大器作為第一級放大電路(11);其特徵在於:第一電壓放大器和(Al)第二電壓放大器(A2)的輸出端之間串聯了電感(LI)與電阻器(R13)用以消除零點漂移，第二電壓放大器(A2)的輸出端通過電阻器(R7)與差動輸入放大器(A3)的同相輸入端相連，電阻器(R7)與差動輸入放大器(A3)的同相輸入端的節點之間通過連接電阻器(RlO)接地，第一電壓放大器(Al)的輸出端通過電阻器(R9)與差動輸入放大器(A3)的反相輸入端相連，電阻器(R9)與差動輸入放大器(A3)的反相輸入端之間通過電阻器(R8)連接到差動輸入放大器(A3)的輸出端，組成第二級放大電路(12)，第一電壓放大器(Al)和第二電壓放大器(A2)的輸出信號通過第二級放大電路(12)進行差模放大後通過耦合電容(C6)驅動負載揚聲器。
[0006]本發明所涉及的音頻功率放大電路，電感(LI)採用200μΗ-220μΗ的貼片電感，電阻(R13)採用10Ω-30Ω的貼片電阻。
[0007]另外，第一電壓放大器(Al)的輸出端與電阻器(R3)之間的節點通過連接串聯的電阻器(Rll)和隔直電容(C3)接地，第二電壓放大器(Α2)的輸出端與電阻器(R6)之間的節點通過連接串聯的電阻器(R12)與隔直電容(C4)接地。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發明所涉及的音頻功率放大電路的層次示意圖。
[0009]圖2是本發明所涉及的音頻功率放大電路的電路原理圖。
[0010]圖3是本發明所涉及的音頻功率放大電路的波形效果仿真圖。
【具體實施方式】
[0011]以下結合附圖對本發明所涉及的一種基於BTL放大器和差分放大器的音頻功率放大電路的優選實施例做詳細的闡述，但本發明並不僅限於該實施例。為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明的優選實施例中詳細說明了具體細節。
[0012]圖1為本發明所涉及的音頻功率放大電路的層次示意圖。
[0013]如圖1所示，輸入信號Uin分別通過第一電壓放大器(Al)和第二電壓放大器(Α2)放大得到兩個放大後的信號Uwtl和Urat2，第一電壓放大器(Al)和第二電壓放大器(Α2)組成BTL功率放大電路。兩個放大器的輸出信號又作為輸入信號輸入到差動功率放大器(A3)，差動功率放大器(A3)放大後得到輸出信號Uout供給負載揚聲器。
[0014]圖2為本發明所涉及的音頻功率放大電路的電路原理圖。
[0015]如圖2所示，音頻功率放大電路(10)由第一級放大電路(11)和第二級差分放大電路(12)組成，包括三個運算放大器，包括第一電壓放大器(Al)，第二電壓放大器(Α2)以及差動輸入放大器(A3)均由+16V和-16V雙電源供電，+16V和-16V雙電源的節點上分別通過穩壓電容(Cl)和穩壓電容(C2)接地。
[0016]輸入電壓Uin通過一個f禹合電容(C5)輸入到第一電壓放大器(Al)的同向輸入端，第一電壓放大器(Al)的同相輸入端通過電阻器(R5)連接到第二電壓放大器(Α2)的反相輸入端，兩個放大器的輸出信號等幅反相，第一電壓放大器(Al)的同相輸入端連接電阻器(Rl)並接地，第一電壓放大器(Al)的反相輸入端與輸出端之間連接電阻器(R3)，在第一電壓放大器(Al)的反相輸入端與電阻器(R3)之間通過電阻器(R2)接地，第二電壓放大器(A2)的反相輸入端與輸出端之間連接電阻器(R6)，組成平衡橋式放大器作為第一級放大電路(11)。第一電壓放大器的放大倍數SA1=HR3/!^ Rp為平衡電阻，用於平衡由於輸入偏置電流造成的失調，Rp=R2R3/(R2+R3)。第二電壓放大器(A2)是一個反相輸入電壓放大器，放大倍數A2=-R6/R5，R4為平衡電阻，用於平衡失調。信號Uin經過Al放大後輸出的電壓值Uwtl=A1ZiUin=(HIVR2)Uin，經第二電壓放大器(A2)放大後輸出的電壓值為Urat2=A2Uin=-RyR5Uint5調整電阻值可以使Uoutl和Uwt2實現等幅反相，例如選取R2=R3=R5=R=IOK Ω，R6=2R=20K Ω，則有 U0Utl=_U0Ut2=2Uin。
[0017]第一電壓放大器(Al)的輸出端與電阻器(R3)之間的節點通過連接串聯的電阻器(Rll)和隔直電容(C3)接地，第二電壓放大器(A2)的輸出端與電阻器(R6)之間的節點通過連接串聯的電阻器(R12)與隔直電容(C4)接地。電阻器(Rll)和隔直電容(C3)，電阻器(R12)和隔直電容(C4)分別組成第一電壓放大器(Al)和第二電壓放大器(A2)的輸出端消振網絡。第一電壓放大器(Al)和第二電壓放大器(A2)的輸出端連有一個相對較大的電感(LI)和一個相對較小的電阻器(R13)組成的RL電路用於消除零點漂移對放大電路的影響。
[0018]首先是在第一電壓放大器(Al)的輸出端和第二電壓放大器(A2)的輸出端串接一個相對較大的電感(LI)和一個相對較小的電阻器(R13)。電感(LI)和電阻器(R13)的作用是消除第一電壓放大器(Al)和第二電壓放大器(A2)的零點漂移不對稱問題，保證零點時兩運算放大器輸出端電位差儘可能地小。因為零點漂移產生的兩運算放大器輸出端的電位差Λ Utl在短時間內較為穩定，可以看作是直流量，因而產生的微弱直流電流Itl可以通過大電感LI和R13，這樣就使得Uoutl和Uout2在零點上近似可以看作是相同的。當有信號輸入時，輸入的信號通過·傅立葉變化後，直流量在小電阻器R13上產生電位差可以被後級差動電路放大，交流量幾乎無法通過電感LI只能通過下級差動放大電路。所以加入的RL電路在消除零點漂移的基礎上，造成信號的削弱是可以忽略的。考慮到電感值越大電感體積越大，不利於集成，電感(LI)採用200μΗ-220μΗ的貼片電感，電阻(R13)採用10Ω-30Ω的貼片電阻。
[0019]第二級放大電路(12)採用的是差動功率放大電路，由如下元器件構成:第二電壓放大器(Α2)的輸出端通過電阻器(R7)與差動輸入放大器(A3)的同相輸入端相連，電阻器(R7)與差動輸入放大器(A3)的同相輸入端的節點之間通過連接電阻器(RlO)接地，第一電壓放大器(Al)的輸出端通過電阻器(R9)與差動輸入放大器A3的反相輸入端相連，電阻器(R9)與差動輸入放大器(A3)的反相輸入端之間通過電阻器(R8)連接到差動輸入放大器(A3)的輸出端，組成第二級放大電路(12)，因為第一級BTL功率放大電路(11)的輸出電壓Uoutl和Uout2的關係上滿足幅值相同，相位相反，則差動電壓Λ U=U0Utl-U0Ut2=2U0Utl=4UinO這樣第二級差動放大電路(12)輸入的差模信號就為輸入信號的4倍，充分利用了上級BTL功率放大電路輸出信號等幅反相的特點，具有更理想的信號保真效果。差動輸入放大器的輸出電壓 Uout=A3 Δ U= (R8/R9) (Uoutl-Uout2) =4 (R8/R9) Uin,若選取 R8=2R9=20K Ω，則有 Uout=SUin,即真箇放大電路的增益是8。差動輸入放大器(A3)的輸出端通過稱合電容(C6)與負載揚聲器相耦合，濾波電容(C6)的電容值較大來保證輸出波形較低的失真度，差動輸入放大器(A3)將第一級放大電路(11)輸出的差模信號放大後輸出供給揚聲器負載，輸出端與負載通過耦合電容(C6)相互耦合。
[0020]圖3為本發明所涉及的音頻功率放大電路的波形效果仿真圖。
[0021]如圖3所示，仿真信號的輸入端選取了經典的頻率為50Hz有效值為707.1mV的正弦波。通過輸出端的波形可以看出輸入信號被明顯地放大了，並且看不出有任何明顯的信
號失真。
[0022]輸入與輸出信號電壓的需要有效值驗證，用於驗證理論與仿真結果相符與否。當有效值為707.1mV的正弦信號經過增益為8的放大電路放大後有理論值應該為5.6568V，實際值5.656V與理論值相吻合。
【權利要求】
1.一種音頻功率放大電路，用於驅動負載揚聲器，包括: 第一電壓放大器(Al)的同相輸入端通過電阻器(R5)接入第二電壓放大器(A2)的反相輸入端，輸入電壓通過稱合電容(C5)輸入到所述第一電壓放大器(Al),所述第一電壓放大器(Al)的同相輸入端連接電阻器(Rl)並接地，所述第一電壓放大器(Al)的反相輸入端與輸出端之間連接電阻器(R3)，在所述第一電壓放大器(Al)的反相輸入端與電阻器(R3)之間通過電阻器(R2)接地，所述第二電壓放大器(A2)的反相輸入端與輸出端之間連接電阻器(R6)，組成平衡橋式放大器作為第一級放大電路(11)； 差動輸入電壓放大器(A3)； 其特徵在於: 所述第一電壓放大器(Al)和第二電壓放大器(A2)的輸出端之間串聯了所述電感(LI)與電阻器(R13)用以消除零點漂移， 所述第二電壓放大器(A2)的輸出端通過電阻器(R7)與所述差動輸入放大器(A3)的同相輸入端相連，所述電阻器(R7)與所述差動輸入放大器(A3)的同相輸入端的節點之間通過連接電阻器(RlO)接地， 所述第一電壓放大器(Al)的輸出端通過電阻器(R9)與差動輸入放大器(A3)的反相輸入端相連，電阻器(R9)與差動輸入放大器(A3)的反相輸入端之間通過電阻器(R8)連接到所述差動輸入放大器(A3 )的輸出端，組成第二級放大電路(12 )， 所述第一電壓放大器(Al)和所述第二電壓放大器(A2)的輸出信號通過所述第二級放大電路(12)進行差模放大後通過稱合電容(C6)驅動負載揚聲器。
2.根據權利要求1所述的音頻功率放大電路，其特徵在於: 其中，所述電感(LI)採用200 μ Η-220 μ H的貼片電感，所述電阻(R13)採用10 Ω -30 Ω的貼片電阻。
3.根據權利要求1所述的音頻功率放大電路，其特徵在於: 其中，所述第一電壓放大器(Al)的輸出端與所述電阻器(R3)之間的節點通過連接串聯的電阻器(Rll)和隔直電容(C3)接地，所述第二電壓放大器(Α2)的輸出端與電阻器(R6)之間的節點通過連接串聯的電阻器(R12)與隔直電容(C4)接地。
【文檔編號】H03F1/32GK103427771SQ201310256505
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年6月25日 優先權日:2013年6月25日
【發明者】王帥, 鄭方磊, 王華澤, 王傑, 覃燕華, 王麗 申請人:上海理工大學