單級功放的製作方法
2023-09-09 18:43:05
專利名稱：單級功放的製作方法
單級功放，屬模擬音頻功率放大器。主要用於高保真音響領域，它尤為適合對超寬頻帶SACD、DVD-Audio等超前機型輸出的音頻信號進行功率放大。
高音質表現的新技術--WRAT(Wide Range Amp Techonlogy)，是將音頻頻帶擴闊，由頻響20Hz--20KHz提升到20Hz--100KHz。這樣可以大大增強高低音的層次感，令音色更趨穩定，降低失真度，提高聽感的像真度。而這一由20Hz--100KHz的超寬頻帶音頻信號要進行低功耗大功率(不是1W或10W、百瓦級)、超寬頻帶、高保真功率放大，的確需要新技術來支持。
現有的模擬音頻功放，其電壓增益，主要有差分式輸入電壓放大和後面跟一級電壓放大，或是，交叉式輸入電壓放大和後面跟一級電壓放大，它們大都有兩極電壓放大，因為多級電壓放大的通頻帶，永遠比它任何一級都要窄，所以，多級電壓放大沒有單級電壓放大優秀。而且，有些電路還沒有考慮密勒電容效應。既使有象CN2096845U專利電路，用變壓器B升壓來達到電壓放大，也由於變壓器通頻帶窄限制了整個功放的帶寬，還有一些很簡單的單級電壓放大功放，由於信號傳輸質量太差，不具備高保真功放的基本要求。
一、用新技術實現超寬頻帶高保真功率放大高標準SACD、DVD-Audio的出臺，必然要求功放建立與之相適應的新的技術和其相配套。多根渥爾曼放大技術應運而生，這正是本發明的技術所在。
1、多根渥爾曼放大技術簡介單級電壓放大電路相對於多級電壓放大電路來說，具有頻帶最寬，轉換速度最高，頻率、相位失真最小等優點。渥爾曼放大電路，即共基一共射電路，它能大大降低密勒電容效應，具有增益大、線性好、頻帶寬等優點。常規的渥爾曼放大電路，由二隻三極體組成，一隻管集電極與另一隻管發射極相串聯，其特點是一隻管集電極電流增大另一隻管集電極電流亦增大。這種電路稱為串置渥爾曼放大電路。而一隻管集電極與另一隻發射極相併聯，其特點是一隻管集電極電流增大另一隻管集電極電流反而減小，這種電路稱為並置渥爾曼放大電路。多隻管(例如
圖1中T3、T4、T5，一隻管可認為是多隻管的特例)集電極與另一隻管(例如圖1中T6)發射極相連接(對於交流通路、T6基極接地，即共基)，多隻管均稱為T6管的根或根管，T6稱為樹幹。這種電路稱為多根渥爾曼放大電路，其特點是只共基不一定共射，這是與共基——共射電路的區別。即根管的輸出可以由集電極輸出，也可以由集電極與發射極同時輸出，輸入則可以由基極輸入，也可以由發射極輸入，也可以由基極和發射極同時輸入。根管與根管之間還可以有多種連接形式。這種連接形式的多樣化構成一種傳輸技術。只有一級電壓放大的放大電路，稱單級電壓放大電路，只有一級電壓放大的多根渥爾曼放大電路，稱單級多根渥爾曼放大電路。單級多根渥爾曼放大技術具有傳輸信號質量高、動態大、失真小，具有極寬的頻帶、極高的轉換速度、極低的頻率、相位失真和簡潔的電路、適中的增益、穩定的輸出。
1、下面結合附圖詳細說明這一技術在超頻帶高保真功率放大器上具體實施的電路例子圖1為單級功放總電路圖，圖2為圖2中LS方框圖內部電路圖，a、b、c、d端點與圖1中LS方框圖a、b、c、d端點對應相連接。
單級功放有五部分組成，由三極體T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8及相應元件構成電壓放大級，三極體T9、T10、T25、T26、T27、T42及相應的元件構成電流放大級，三極體T43、T44及相應元件構成功放偏置，集成電路A1及相應元件構成反饋網絡，集成電路A2及相應元件構成直流伺服，具體分析如下V1、V2為恆壓源電路，I1、I2為恆流源，±E1、±E2為直流電源，t°為溫度補償電路，e為檢測電路。三極體T6、T8為多根渥爾曼電壓放大的樹幹，主要起電壓放大和輸出作用。三極體T1、T2、T7為三極體T8的根，三極體T3、T4、T5為三極體T6的根，三極體T1、T2、T3、T4、T5、T7主要起小電流放大和信號傳輸作用，這種傳輸是在電壓增益很小條件下進行的，密勒電容效應很小，傳輸質量好、速度快、效率高。由T6與T5、T3、T4構成單級多根渥爾曼電壓放大電路，也可以由T6與T5或T3或T4單獨構成單級多根渥爾曼電壓放大電路，只是傳輸效率低。由T8與T7、T1、T2構成單級多根渥爾曼電壓放大電路，它也可以由T8與T7或T1或T2構成單級多根渥爾曼電壓放大電路。單級多根渥爾曼電壓放大有兩種構造，即單級多根串置渥爾曼電壓放大和單級多根並置渥爾曼電壓放大。本電路採用單級多根並置渥爾曼電壓放大電路。在電壓放大級中可以有一組單級多根渥爾曼電壓放大電路組成，完成電壓放大任務，也就是將T3、T4、T5的集電極接至正電源(+E1)上，其餘不變，或是將T1、T2、T7的集電極接至負電源(-E1)上，其餘不變。也可以進行變形，構成差分式多根渥曼電壓放大電路。採用兩組單級多根渥爾曼電壓放大電路構成電壓放大級，能大大提高放大的信號傳輸質量，本電路由R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R44、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8構成全對稱平衡傳輸單級多根並置渥爾曼電壓放大電路。T1和T2構成達林頓輸入、輸出電路，採用這種電路有許多優點1、為下級T5提供合理的偏壓，這一點也可以用T2集電極開路來獲得。2、輸入阻抗高。3、電流增益大。T2和T1的集電極與T8的發射極相連接，構成T8根的一部分，T2的發射極與T5基極相連接構成交叉耦合傳輸。由於採用了達林頓雙端輸出，提高了信號傳輸效率。T3和T4構成達林頓輸入、輸出電路。同理，這種電路有許多優點1、為下級T7提供合理的偏壓，這一點也可以用T4集電極開路來獲得。2、輸入阻抗高。3、電流增益大。T3和T4的集電極與T6的發射極相連接，構成T6根的一部分。T4的發射極與T7基極相連接構成交叉耦合傳輸。由於採用了達林頓雙端輸出提高了信號的傳輸效率。T5基極與T2發射極相接，T5集電極與T6發射極相接，T5發射極通過電阻R10與共用電阻R44相接，T7基極與T4發射極相接，T7集電極與T8的發射極相接，T7發射極通過電阻R11與共用電阻R44相接。T5和T7構成交叉耦合傳輸，這種交叉耦合傳輸能很有效的改善諧波成份。T5和T6的共用電阻R44起到電流負反饋作用，而反饋網絡中電阻R45與共用電阻R44相接，將負載上的電壓轉換為電阻R44上的電流，電流負反饋的頻率特性比電壓負反饋優秀。T6集電極電阻R2與T1、T2基極相接，T8集電極電阻R3亦與T1、T2基極相接，T6集電極與電流放大級T9基極相接，T8集電極與電流放大級T26基極相連接，R1、R2、R3構成非對稱調節，C4、R59、R60、T9、T10、T25、T26、T27、T42、R12、R13、R28、R43構成對稱達林頓電流放大級電路。A1、R45、R46、R47、R48、R49、C1構成有源反饋網絡，A2、R50、R51、R52、C2、C3構成直流伺服電路。T43、T44、R53、R54、R55、R56、R57、R58構成功放偏置電路。
二、用新的功放偏置降低大功率放大器的功耗甲類偏置功放音質好，但效率在理想條件下才50％，功耗大。本電路採用一種新的功放偏置，能大大降低功耗，又保證了音質。下面作詳細說明
現有功放偏置電路種類很多，大體可以分為恆壓偏置和動態偏置兩大類。恆壓偏置為代表的有如CN2096845U專利中D1、D2、D3、W組成的偏置，CN1068225A專利中圖1元件W、BG0組成的偏置，雖然有電路簡單的優點，但設計在甲類功耗大，設計在甲乙類，大信號時又容易產生交越失真。CN1068225A專利中圖5電路有很大改進，但是DZ2、DZ4須在靜態時均有電流通過，否則將產生交越失真，有電流通過DZ2、CZ4，大電流時，DZ2、DZ4影起的損耗大。圖12電路有所進步，多隻末級管並聯又帶來困難。動態偏置為代表的圖2電路，優點較多、但電路複雜、調試困難、極點較多、溫漂較大。本功放提供一種新的偏置電路。具有電路簡單、線性好、響應快、溫漂小，而且有多種偏置狀態可供實際選用。這是本實用新型技術所在。具體分析如下T43集電極與T44集電極相接，T43發射極與T6集電極和T9基極相接，即b端點，T44發射極與T8集電極和T26基極相接，即d端點，T43的基極通過電阻R54、R55與T44基極相接，電阻R53連接在T43的基極與發射極上，電阻R56連接在T44基極與發射極上。在電阻R54與R55相連接的節點上電阻R57、R58一端與此相接，電阻R57另一端接地(或懸浮地)，電阻R58另一端接功放輸出，即C端點，在靜態時，T43集電極電流設為I』43、T44集電極電流設為I』44、，有I』43＝I』44＝I』，在R57、R58上沒有電流，電阻R53、R54、R55、R56上流過的電流為I0，在b端點電流由I』增大到Ib，d端點電流由I』減小到Id時，Ib＞Id，bd兩端點電流差值為ΔI＝(Ib-I』)-(Id-I』)，這個差值電流將從T43基極溢出，經電阻R54流向電阻R57、R58。在R54上增加了電壓ΔIR54，d端點電流減小量ΔId＝Id-I』，由於三極體電流放大倍數β的作用，在電阻R55上電流減小量ΔI0＝ΔId/β，相應的在R55上電壓差減小量為ΔI0R55，這個值ΔI0R55很小，可忽略不計，可以認為R55上電壓差沒有變化。又有R53上電壓差等於T43的基射壓降，R56的電壓差等於T44的基射壓降，且均等於0.65V。由此得T9、T26偏壓增大ΔIR53。由於電路的對稱性，同理推得在Id＞Ib時，R55上增加了ΔIR55。R54上電壓差沒有變化，T9、T26偏壓增大ΔIR55。由於R55＝R54＝R，得不論Ib＞Id或Id＞Ib，T9、T26的偏壓都增大了ΔIR。構成一種新的功放偏置。
1、令電阻R58＝∞，功放偏置為超甲類。這種偏壓電路具有乙類的效率，甲類的音質。具體分析如下在靜態時，電阻R53、R54、R55、R56上的電壓差之和構成T9、T26的偏壓，電阻R57上沒有電流流過。當有信號輸入時，流過T6、T8管上的集電極電流不相等，在輸入信號為負半波時，T6集電極電流增大為I6，而T8集電極電流減小為I8，兩者差值電流為ΔI＝I6-I8。這一差值電流將從T43基極溢出，通過電阻R54流向電阻R57，使電阻R54上電壓差在原電壓差上增大ΔIR54，而電阻R53、R55、R56上的各電壓差則不變，使得T9、T26偏壓增大ΔIR54。在正半波時，T6集電流減小為I』6、R8集電極電流增大為I』8，兩者差值電流為ΔI』＝I』8-I』6，這個差值電流將從地流向電阻R57經電阻R55注入T44的基極，使電阻R55上的電壓差在原電壓差上增大了ΔI』R55。而電阻R53、R54、R56上的各電壓差則不變，使得T9、T26偏壓增大了ΔI』R55，由於電路的對稱性，R55＝R54，ΔI＝ΔI』。由此可得偏壓大小隨輸入信號的絕對值增大而按比例上升，實現了超甲類偏置。
2、令電阻R58＝0，功放偏置為超甲乙類，這種偏壓電路不存在末級管在動態或靜態進入截止區現象，因而，不存在交越失真和開關失真。甲乙類末級管在動態時進入截止區，這是與超甲乙類的區別。由於末級管T25或T42的發射極電阻R28或R43的作用，使超甲乙類偏壓不僅隨輸入信號變化還隨負載大小變化。具體分析如下在靜態時，電阻R53、R54上的電壓差之和是T9、T10、T25的偏壓，R55、R56的電壓差之和是T26、T27、T42的偏壓。在I6＞I8時，T44在放大區，R55、R56上的各電壓差不變。T26、T27、T42的偏壓不變，則T42的發射級電流不變。而電阻R54上的電壓差在原電壓差上增大了R54(I6-I8)，使得T9、T10、T25的偏壓增大了R54(I6-I8)，T25發射極電流增大。T25發射極電流在電阻R28上產生壓降，此壓降與偏壓大小有關，即負載電流大，T25發射極電流大，R28上壓降大，偏壓亦大。可見，超甲乙的偏壓大小與輸入信號大小有關，還與負載大小有關。在I8＞I6時，T43在放大區，R53、R54上的各電壓差不變。T9、T10、T25的偏壓不變。T25的發射極電流不變。而電阻R55的電壓差在原電壓差上增大了R55(I8-I6)，使得T26、T27、T42的偏壓增大了R55(I8-I6)，T42發射極電流增大。T42發射極電流增大，在R43上產生壓降增大，使得偏壓增大，形成動態偏壓。
由此可得偏壓始終在靜態工作線以上交替上升，實現了超甲乙類偏置。
3、令電阻R58＝∞、R57＝∞，由於沒有電阻R58、R57的作用，電阻R53、R54、R55、R56上的電壓差基本不變。功放偏置處在恆壓工作狀態。
4、在R57、R58阻值均不為零也不為無窮大時，功放偏置為隨機甲乙類。
三、單級功放工作原理當輸入端INPUT接收到輸入信號時，經電阻R1輸入，分兩路，一路輸入T1基極，一路輸入T3基極。當輸入信號為正半波時，輸入T1的一路。使T1、T2的集電極電流減少，T2發射極電位升高。T5集電極電流增大。輸入T3的一路，使T3、T4集電極電流增大，T4發射極電位升、T7集電極電流減小。由T3、T4集電極電流增大，T5集電極電流增大，共同作用於T6發射極，使T6集電極電流減小(多根並置渥爾曼放大特點)，導致T9、T10、T25發射極電流減小。由T1、T2集電極電流減小，T7集電極電流減小，共同作用於T8發射極，使T8集電極電流增大，導致T26、T27、T42發射極電流增大，負載反向電流增大。當輸入信號為負半波時，輸入T1的一路，使T1、T2的集電極電流增大，T2發射極電位降低、T5集電極電流減小。輸入T3的一路，使T3、T4集電極電流減小，T4發射極電位降低，T7集電極電流增大，由T3、T4集電極電流減小，T5集電極電流減小，共同作用於T6發射極，使T6集電極電流增大，導致T9、T10、T25發射極電流增大，負載正向電流增大。由T1、T2集電極電流增大，T7集電極電流增大，共同作用於T8發射極，使T8集電極電流減小，導致T26、T27、T42發射極電流減小。
這樣工作一個周波完成高保真功率放大。
權利要求
1.單級功放，尤為適合對超寬頻帶音頻進行功率放大。它由電壓放大級、電流放大級，偏置電路、反饋網絡電路和直流伺服電路組成。電壓放大級其特徵在於至少有一組多根並置渥爾曼電壓放大電路組成，其根至少為一條，相對於三級管T6至少是三極體T5或T3或T4，或者，相對於三級管T8至少是三極體T1或T2或T7。
2.根據權利要求1的多根並置渥爾曼電壓放大電路，其特徵在於單級多根並置渥爾曼電壓放大電路。
3.根據權利要求1的至少有一組多根並置渥爾曼電壓放大電路，其特徵在於三極體T6與三極體T3、T4、T5構成一組和三級管T8與三極體T1、T2、T7構成一組，由這兩組構成。
4.根據權利要求1的多根並置渥爾曼電壓放大電路，其特徵在於由達林頓T1、T2或T3、T4輸入、輸出電路構成三極體T8或T6根的一部分。
5.根據權利要求3所述兩組多根並置渥爾曼電壓放大電路，其特徵在於兩組之間由三極體T5基極與三極體T2發射極相連接，三極體T7基極與三極體T4發射極相連接，且三極體T5發射極與三極體T7發射極有共用電阻R44。
6.根據權利要求3所述兩組多根並置渥爾曼電壓放大電路，其特徵在於三極體T6集電極上的電阻R2與三極體T1、T3基極相連接，三極體T8集電極上的電阻R3亦與三極體T1、T3基極相連接。
7.根據權利要求3所述兩組多根並置渥爾曼電壓放大電路，其特徵在於三極體T6集電極與電流放大級三極體T9基極相連接，三極體T8集電極與電流放大級三極體T26基極相連接。
8.根據權利要求5的三極體T5發射極與三極體T7發射極有共用電阻R44，其特徵在於電阻R44與反饋網絡中電阻R45相連接。
9.根據權利要求3所述兩組多根並置渥爾曼電壓放大電路，其特徵在於由電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R44三極體T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、構成全對稱平衡傳輸單級多根並置渥爾曼電壓放大電路。
全文摘要
單級功效,屬模擬音頻功率放大器,主要用於高保真音響領域,尤為適合對SACD、DVD－Audio超前機型輸出的音頻信號進行功率放大。它主要是採用了超寬頻帶,高轉換速度,極低失真傳輸的新技術——多根並置渥爾曼放大技術。
文檔編號H03F3/20GK1263380SQ0010328
公開日2000年8月16日 申請日期2000年3月23日 優先權日2000年3月23日
發明者王世祥 申請人:王世祥