新型電流音頻功率放大器的製作方法
2023-05-23 18:23:16
專利名稱：新型電流音頻功率放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及音頻功率放大器。
現有技術的音頻功率放大器主要存在如下缺陷①.採用電壓負反饋方式的音頻功率放大器，其輸出功率和輸出電流會受揚聲器負載阻抗的影響，且成反比例關係。對於揚聲器這樣的負載，它既不是純電阻，也不是純電感性負載，其阻抗是頻率的函數。當放大器增益和輸入靈敏度選定後，複合阻抗Z隨頻率的變化值Z(f)將直接影響功放瞬時輸出電流io(t)的大小，從而影響到揚聲器音圈所受的瞬時電磁振蕩力F(t)的大小。在電聲能量轉換過程中，F(t)值的大小變化決定了聲波振幅的大小變化，而聲波振幅值的改變又必然會使聲壓和聲強大小發生變化，並最終改變原聲波的頻譜能量分配，產生對聲音音質的影響，所以這類功放不可能全部真實地重放和定位出原來的聲音。
②.電壓負反饋音頻功率放大器，其取樣於功放輸出端的負反饋電壓要受揚聲器阻抗的影響。由於揚聲器阻抗是頻率的函數，為非線性元件，故負反饋電壓信號同揚聲器負載電流不是一一對應的線性關係，會存在著一定的相位差。當揚聲器負載中電流變化時，負反饋電壓信號就不可能及時跟上變化，準確調節功放電路的輸出電流，及時控制揚聲器音圈所受的電磁振蕩力，從而產生和出現瞬態失真。另一方面，把超前或滯後於負載電流的負反饋電壓再送回功放輸入端，又會對原輸入信號進行調製，帶來更為嚴重的互調失真。所以，電壓負反饋音頻功率放大器必然會產生瞬態互調失真。
③.電壓負反饋功放的輸出功率主要受限於末級電晶體的ICM電流和電源提供電流。這是因為電壓型功放所驅揚聲器負載阻抗Z隨頻率變化時，會直接帶來功放輸出電流I0變化，當I0變化超過功放電路和電源可提供的最大值時，就會造成信號被削頂失真或末級功率管非線性失真，或者兩種失真都有。所以，電壓型功放為防止削頂和非線性失真主要是靠提供瞬時大電流ic來適應I0變化。具體電路設計中普遍採用大電流功率管或多管並聯和大容量電源及濾波電容供電方式，以保證在整個音頻段內有不削頂和非線性失真的額定功率輸出。但是，這樣必然會增加後級功率管和電源部分的重量、體積及費用。
④.高性能和專業的音頻功率放大器電路結構複雜，增加了製作成本。使用元器件較多，故障點增多。靜態電流調整較繁瑣，熱穩定性較差。電能源損耗高、效率低。
本發明的目的在於提供一種保真度高、電路結構簡潔、熱穩定性好、可靠性高、性價比好、節能高效的音頻功率放大器。
本發明技術方案如下方案1OCL結構電流音頻功率放大器，見
圖1。
電路組成這類結構的新型電流音頻功率放大器，輸入端由耦合電容C1、電阻R1起到隔離和阻抗變換作用，集成運放電路IC組成功放驅動級，IC可以使用目前常用的NE5532、NE5534、LT1028、AD847等集成運放塊，電位器P1用於調節IC輸出端零電位，電源E1向該驅動級運放IC供電，C2和C3為退藕電容，以避免低頻自激。4隻三極體BG1～BG4和電阻R2～R4組成交叉耦合射極跟隨器輸出級，BG1和BG2選用中功率管，BG3和BG4選用大功率管，由電源E2向交叉耦合射極跟隨器輸出級供電。E1和E2為2個互相獨立的電源，其接地端不能互相連接，不和設備外殼相連接。電阻R2、R3控制功放的靜態電流，R5為電流取樣負反饋電阻，控制放大器的增益。由於R5連接於輸出主迴路上，為了減少損耗和發熱，R5的取值應選擇在0.2Ω～0.5Ω之間。負載Z連接於交叉耦合射極跟隨器輸出級和E2的接地端之間。
工作原理音頻激勵信號通過IN端輸入，經過C1隔斷直流和R1進行阻抗變換後輸入到驅動級運放IC內。正半周時IC輸出信號使末級中的BG1管和BG4管導通，放大後的信號電流從E2的接地端經過負載Z、取樣電阻R5、三極體BG4回到E2的負端；負半周時IC輸出信號使末級中的BG2管和BG3管導通，放大後的信號電流從E2的正端經過三極體BG3、取樣電阻R5、負載Z回到E2的接地端。可見正負半周內均有不同方向的電流通過負載Z，在負載Z上能得到放大後的全交流信號。R5是電流取樣電阻，通過它將負載Z中的電流變化線性地轉換成電壓變化，並將這種變化值線性地反饋到IC的負輸入端，使IC實際輸入信號值發生改變，從而達到控制功率放大器增益和輸出電流目的，起到功率放大作用。
電路連接關係輸入信號IN的正端同電容C的一端相連。
電容C的另一端同R1的一端和集成電路IC的正輸入端3腳相連。
IN的負端同R1的另一端及電容C2、C3的一端和電源E1的接地端、電流取樣電阻R5、負載Z的一端互相連接。
集成電路IC的4腳同電源E1的負端和C3的另一端互相連接。
IC的7腳同電源E1的正端和C2的另一端、電位器P1的中間滑動端互相連接。
IC的1腳同電位器P1的一端相連，IC的5腳同電位器P1的另一端相連。
IC的輸出端6腳同三極體BG1基極b和BG2基極b互相連接。
BG1發射極、BG4基極以及電阻R3、R4的一端互相連接。
BG1集電極、BG3集電極以及電源E2的正端、電阻R2的一端互相連接。
BG2發射極、BG3基極以及電阻R2、R4的一端互相連接。
BG2集電極、BG4集電極以及電源E2的負端、電阻R3的一端互相連接。
BG3發射極、BG4發射極以及IC的反饋端2腳、R5的另一端互相連接。
電源E2的接地端同負載Z的另一端相連。
方案2BTL結構電流音頻功率放大器，見圖2。
電路組成這類結構的新型電流音頻功率放大器，主要由2套方案1的音頻功率放大器組成。輸入信號的倒相變換和隔離由輸入變壓器XLB來實現。電源E1、E2分別向2個驅動級的運放IC1和IC2供電，電源E3同時向2個交叉耦合射極跟隨器輸出級供電。E1、E2、E3是三個互相獨立的電源，其接地端不能互相連接，不和設備外殼相連接。負載Z連接於2個放大器輸出級之間。
工作原理音頻激勵信號通過IN端輸入後，經過XLB變換為2個相位相反、幅度一樣的音頻信號分別輸入上、下兩個功率放大器內，這2個功率放大器內的工作原理同方案1的功率放大器一樣。正半周時信號電流從電源E3的正極經過功放末級的BG3管、電阻R5、負載Z、電阻R10、BG8管回到E3的負端；負半周時信號電流從電源E3的正極經過功放末級的BG7管、電阻R10、負載Z、電阻R5、BG4管回到E3的負端。因此，正負半周內也有不同方向的電流通過負載Z，在負載Z上能得到放大後的全交流信號。由於電源E3全程加於負載Z兩端，在同等條件下，這種結構的功率放大器將比方案1的功率放大器理論上提高輸出功率4陪。
電路連接關係輸入信號IN的正端同XLB的1腳相連，IN的負端同XLB的2腳相連。
XLB的3腳同電容C1的一端相連。
C1的另一端同R1的一端和集成電路IC1的正輸入端3腳相連。
XLB的4腳同R1的另一端及電容C3、C4的一端和電源E1的接地端、電流取樣電阻R5、負載Z的一端互相連接。
集成電路IC1的4腳同電源E1的負端和C4的另一端互相連接。
IC1的7腳同電源E1的正端和C3的另一端、電位器P1的中間滑動端互相連接。
IC1的1腳同電位器P1的一端相連，IC1的5腳同電位器P1的另一端相連。
IC1的輸出端6腳同三極體BG1基極、BG2基極互相連接。
BG1發射極、BG4基極以及電阻R3、R4的一端互相連接。
BG1集電極、BG3集電極以及電源E3的正端、電阻R2的一端互相連接。
BG2發射極、BG3基極以及電阻R2、R4的一端互相連接。
BG2集電極、BG4集電極以及電源E3的負端、電阻R3的一端互相連接。
BG3發射極、BG4發射極以及IC的反饋端2腳、R5的另一端互相連接。
XLB的5腳同電容C2的一端相連。
C2的另一端同R6的一端和集成電路IC2的正輸入端3腳相連。
XLB的6腳同R6的另一端及電容C5、C6的一端和電源E2的接地端、電流取樣電阻R10、負載Z的另一端互相連接。
集成電路IC2的4腳同電源E2的負端和C6的另一端互相連接。
IC2的7腳同電源E2的正端和C5的另一端、電位器P2的中間滑動端互相連接。
IC2的1腳同電位器P2的一端相連，IC2的5腳同電位器P2的另一端相連。
IC2的輸出端6腳同三極體BG5基極、BG6基極互相連接。
BG5發射極、BG8基極以及電阻R8、R9的一端互相連接。
BG5集電極、BG7集電極以及電源E3的正端、電阻R7的一端互相連接。
BG6發射極、BG7基極以及電阻R7、R9的一端互相連接。
BG6集電極、BG8集電極以及電源E3的負端、電阻R8的一端互相連接。
BG7發射極、BG8發射極以及IC2的反饋端2腳、R10的另一端互相連接。
新型電流音頻功率放大器的優點①.功放電路的負載端電壓、輸出功率會隨著負載揚聲器阻抗的變化而成正比例關係改變，也就是說電流負反饋對阻抗隨頻率變化有一定的功率補償作用。因此，這類功放能適應很寬的負載範圍，可以用於驅動各類阻抗的動圈式揚聲器負載，也可以用於驅動高頻阻抗很低的靜電式電容揚聲器負載。
②.功放輸出到揚聲器負載的音圈電流不再受揚聲器阻抗的影響，完全由輸入信號來控制和決定。在負載兩端短路也不會給功放電路帶來過流現象，而負載兩端開路時，輸出端電壓的上升又受到電源電壓的限制，也不可能給末級功率管帶來危害，故大大簡化了功放保護電路。
③.反饋到輸入端的信號電壓同負載電流是線性的比例關係，不存在相位差，從而在電路結構上避免了出現瞬態互調失真。
④.電流功放的輸出功率值主要受限於末級電晶體的耐壓和電源提供電壓。這類功放電路的功率儲備量主要由負載端電壓儲備量決定，設計中只要預留有10倍以上的負載端電壓裕度，就會有相應倍數的功率儲備量。而想要在功放電路上預留10倍以上的負載端電壓富裕度，可採用高耐壓功率管和高電源電壓供電來實現。這相對比讓功放電路有10倍以上的電流富裕度，實現起來更容易些。同時，使用高電壓裕度方式來適應負載阻抗和大動態信號的變化要求，比用大電流裕度方式來達到同樣目的，具有更好的經濟性、更低的損耗和更高的電源效率，能使末級功率管和電源部分的體積、重量大大減小，製作成本大大降低。
⑤.電路結構簡潔，對信號幹擾少。使用元器件少，不易發生故障，可靠性高，製作成本低。功放末級採用交叉耦合射極跟隨器輸出電路，可計算靜態電流而不需要調整，熱穩定性好，輸出波形的對稱性好，輸出端零電位穩定。
⑥.功放交叉耦合射極跟隨器輸出級靜態電流，試驗中可以在低到5mA左右的甲乙類下正常工作，靜態損耗很低。所以，這類功放既保證了有高的電源效率，節約能源，又能輸出對稱的波形，避免出現交越失真，達到好的音質。
可見，本發明的音頻功放電路是一種更加完善和合理的線路，用這類電路結構設計製作的音頻功率放大器，相信一定會在民用和專業音響領域得到廣泛應用，並使我國的音響工業保持與世界先進技術同步。
權利要求
1.新型電流音頻功率放大器，其特徵包括輸入端由耦合電容C1、電阻R1起到隔離和阻抗變換作用，集成電路運放IC組成功放驅動級，IC可以使用目前常用的NE5532、NE5534、LT1028、AD847等集成運放塊，電位器P1用於調節IC輸出端零電位，電源E1向本級運放IC供電，C32和C3為退藕電容。4隻三極體BG1～BG4和電阻R2～R4組成交叉耦合射極跟隨器輸出級，BG1和BG2選用中功率管，BG3和BG4選用大功率管，電源E2向交叉耦合射極跟隨器輸出級供電。E1和E2為2個互相獨立的電源，其接地端不能互相連接，不和設備外殼相連接。連接於射極跟隨器輸出級的R5為電流取樣負反饋電阻，控制放大器的增益，其取值範圍控制在0.2Ω～0.5Ω之間。末級驅動管BG1、BG2的發射極分別與電源E2負極、正極相連的電阻R2、R3控制功放的靜態電流，負載Z連接於射極跟隨器輸出級和E2的接地端之間。電路連接關係輸入信號IN的正端同電容C1的一端相連。電容C1的另一端同R1的一端和集成電路IC的正輸入端3腳相連。IN的負端同R1的另一端及電容C2、C3的一端和電源E1的接地端、電流取樣電阻R5、負載Z的一端互相連接。集成電路IC的4腳同電源E1的負端和C3的另一端互相連接。IC的7腳同電源E1的正端和C2的另一端、電位器P1的中間滑動端互相連接。IC的1腳同電位器P1的一端相連，IC的5腳同電位器P1的另一端相連。IC的輸出端6腳同三極體BG1基極和BG2基極互相連接。BG1發射極、BG4基極以及電阻R3、R4的一端互相連接。BG1集電極、BG3集電極以及電源E2的正端、電阻R2的一端互相連接。BG2發射極、BG3基極以及電阻R2、R4的一端互相連接。BG2集電極、BG4集電極以及電源E2的負端、電阻R3的一端互相連接。BG3發射極、BG4發射極以及IC的反饋端2腳、R5的另一端互相連接。電源E2的接地端同負載Z的另一端相連。
2.根據權利要求1所述新型電流音頻功率放大器，其特徵包括由2套權利要求1方案組成的音頻功率放大器構成。輸入信號的倒相變換和隔離由輸入變壓器XLB來實現。電源E1、E2分別向2個驅動級的運放IC1和IC2供電，電源E3同時向2個交叉耦合射極跟隨器輸出級供電。E1、E2、E3是三個互相獨立的電源，其接地端不能互相連接，不和設備外殼相連接。負載Z連接於2個放大器輸出級之間。電路連接關係輸入信號IN的正端同XLB的1腳相連，IN的負端同XLB的2腳相連。XLB的3腳同電容C1的一端相連。C1的另一端同R1的一端和集成電路IC1的正輸入端3腳相連。XLB的4腳同R1的另一端及電容C3、C4的一端和電源E1的接地端、電流取樣電阻R5、負載Z的一端互相連接。集成電路IC1的4腳同電源E1的負端和C4的另一端互相連接。IC1的7腳同電源E1的正端和C3的另一端、電位器P1的中間滑動端互相連接。IC1的1腳同電位器P1的一端相連，IC1的5腳同電位器P1的另一端相連。IC1的輸出端6腳同三極體BG1基極、BG2基極互相連接。BG1發射極、BG4基極以及電阻R3、R4的一端互相連接。BG1集電極、BG3集電極以及電源E3的正端、電阻R2的一端互相連接。BG2發射極、BG3基極和電阻R2、R4的一端互相連接。BG2集電極、BG4集電極以及電源E3的負端、電阻R3的一端互相連接。BG3發射極、BG4發射極和IC的反饋端2腳、電阻R5的另一端互相連接。XLB的5腳同電容C2的一端相連。C2的另一端同R6的一端和集成電路IC2的正輸入端3腳相連。XLB的6腳同R6的另一端及電容C5、C6的一端和電源E2的接地端、電流取樣電阻R10、負載Z的另一端互相連接。集成電路IC2的4腳同電源E2的負端和C6的另一端互相連接。IC2的7腳同電源E2的正端和C5的另一端、電位器P2的中間滑動端互相連接。IC2的1腳同電位器P2的一端相連，IC2的5腳同電位器P2的另一端相連。IC2的輸出端6腳同三極體BG5基極、BG6基極互相連接。BG5發射極、BG8基極和電阻R8、R9的一端互相連接。BG5集電極、BG7集電極以及電源E3的正端、電阻R7的一端互相連接。BG6發射極、BG7基極和電阻R7、R9的一端互相連接。BG6集電極、BG8集電極以及電源E3的負端、電阻R8的一端互相連接。BG7發射極、BG8發射極和IC2的反饋端2腳、電阻R10的另一端互相連接。
全文摘要
新型電流音頻功率放大器，其特徵包括輸入端由耦合電容C1、電阻R1起到隔離和阻抗變換作用，集成電路運放IC組成功放驅動級，電位器P1用於調節IC輸出端零電位，電源E1向本級運放IC供電，C2和C3為退藕電容。4隻三極體BG1～BG4和電阻R2～R4組成交叉耦合射極跟隨器輸出級，電源E2向交叉耦合射極跟隨器輸出級供電。E1和E2為2個互相獨立的電源，其接地端不能互相連接，不和設備外殼相連接。連接於射極跟隨器輸出級的R5為電流取樣負反饋電阻，控制放大器的增益。末級驅動管BG1、BG2的發射極分別與電源E2正、負極之間相連的電阻R2、R3控制功放的靜態電流，負載Z連接於射極跟隨器輸出級和E2的接地端之間。整個功放電路簡潔，成本低廉，保真度高，輸出波形對稱，不存在瞬態互調失真和交越失真。同時還有熱穩定性好，可計算靜態電流而不需要調整，電源效率高，靜態損耗極低，節約能源以及負載能力強，輸出端不怕短路等優點。
文檔編號H03F1/34GK1549444SQ0311790
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月21日 優先權日2003年5月21日
發明者吳平, 吳 平 申請人:吳平, 吳 平