放大器的原理

晶體管放大器結(jié)構(gòu)原理圖解

功率放大器的作用是將來自前置放大器的信號(hào)放大到足夠能推動(dòng)相應(yīng)揚(yáng)聲器系統(tǒng)所需的功率。就其功率來說遠(yuǎn)比前置放大器簡(jiǎn)單，就其消耗的電功率來說遠(yuǎn)比前置放大器為大，因?yàn)楣β史糯笃鞯谋举|(zhì)就是將交流電能"轉(zhuǎn)化"為音頻信號(hào)，當(dāng)然其中不可避免地會(huì)有能量損失，其中尤以甲類放大和電子管放大器為甚。

功率放大器的結(jié)構(gòu)

功率放大器的方框圖如圖1-1所示。

差分對(duì)管輸入級(jí)

輸入級(jí)主要起緩沖作用。輸入輸入阻抗較高時(shí)，通常引入一定量的負(fù)反饋，增加整個(gè)功放電路的穩(wěn)定性和降低噪聲。

前置激勵(lì)級(jí)的作用是控制其后的激勵(lì)級(jí)和功勞輸出級(jí)兩推挽管的直流平衡，并提供足夠的電壓增益。

激勵(lì)級(jí)則給功率輸出級(jí)提供足夠大的激勵(lì)電流及穩(wěn)定的靜態(tài)偏壓。激勵(lì)級(jí)和功率輸出級(jí)則向揚(yáng)聲器提供足夠的激勵(lì)電流，以保證揚(yáng)聲器正確放音。此外，功率輸出級(jí)還向保護(hù)電路、指示電路提供控制信號(hào)和向輸入級(jí)提供負(fù)反饋信號(hào)(有必要時(shí))。

放大器的輸入級(jí)功率放大器的輸入級(jí)幾乎一律都采用差分對(duì)管放大電路。由于它處理的信號(hào)很弱，由電壓差分輸入給出的是與輸入端口處電壓基本上無關(guān)的電流輸出，加之他的直流失調(diào)量很小，固定電流不再必須通過反饋網(wǎng)絡(luò)，所以其線性問題容易處理。事實(shí)上，它的線性遠(yuǎn)比單管輸入級(jí)為好。圖1-2示出了3種最常用的差分對(duì)管輸入級(jí)電路圖。

圖1-2種差分對(duì)管輸入級(jí)電路

加有電流反射鏡的輸入級(jí)

在輸入級(jí)電路中，輸入對(duì)管的直流平衡是極其重要的。為了取得精確的平衡，在輸入級(jí)中加上一個(gè)電流反射鏡結(jié)構(gòu)，如圖1-3所示。它能夠迫使對(duì)管兩集電極電流近于相等，從而可以對(duì)二次諧波準(zhǔn)確地加以抵消。此外，流經(jīng)輸入電阻與反饋電阻的兩基極電流因不相等所造成的直流失調(diào)也變得更小了，三次諧波失真也降為不加電流反射鏡時(shí)的四分之一。

在平衡良好的輸入級(jí)中，加上一個(gè)電流反射鏡，至少可把總的開環(huán)增益提高6Db。而對(duì)于事先未能取得足夠好平衡的輸入級(jí)，加上電流反射鏡后，則提高量最大可達(dá)15dB。另一個(gè)結(jié)果是，起轉(zhuǎn)換速度在加電流反射鏡后，大致提高了一倍。

改進(jìn)輸入級(jí)線性的方法

在輸入級(jí)中，即使是差分對(duì)管采用了電流反射鏡結(jié)構(gòu)，也仍然有必要采取一定措施，以見效她的高頻失真。下面簡(jiǎn)述幾鐘常用的方法。

1)、恒頂互導(dǎo)負(fù)反饋法

圖1-4示出了標(biāo)準(zhǔn)輸入級(jí)(a)和加有恒定互導(dǎo)(gm)負(fù)反饋輸入級(jí)(b)的電路原理圖。經(jīng)計(jì)算，各管加入的負(fù)反饋電阻值為22Ω當(dāng)輸入電壓級(jí)為-40dB條件下,經(jīng)測(cè)試失真由0.32%減小到了0.032%。同時(shí)，在保持gm為恒定的情況下，電流增大兩倍,并可提高轉(zhuǎn)換速率(10~20)V/us。

圖1-3標(biāo)準(zhǔn)電流反饋鏡輸入級(jí) 1-4 標(biāo)準(zhǔn)輸入級(jí)和加有恒定互導(dǎo)負(fù)反饋輸入級(jí)

將輸入管換成互補(bǔ)負(fù)反饋型對(duì)管

將輸入管換成互補(bǔ)反饋行對(duì)管的方法，簡(jiǎn)稱為CFP法，電路示于圖1-5。

圖1-5 改進(jìn)型差分管輸入級(jí)

這種輸入級(jí)與上述恒定互導(dǎo)負(fù)反饋輸入級(jí)相比，在輸入電壓級(jí)為-30dB情況下，測(cè)試結(jié)果顯示，恒定互導(dǎo)負(fù)反饋輸入級(jí)給出的三次諧波失真為0.35%，而CFP型輸入級(jí)的三次諧波失真為0.045%，對(duì)其它情況來說，后者的三次諧波失真大致為前者的一半。

共射—共基互補(bǔ)型輸入級(jí)

共射—共基互補(bǔ)輸入電路示于圖1-6(c)在該圖示值情況下，當(dāng)輸入電平級(jí)為-30Db時(shí)，失真見效到0.016%左右。另外，由于該電路在輸入管集電極處不存在值得重視的電壓波動(dòng)，其主要好處是把輸入器件用來工作的電壓Vce給降下來。這樣就可以允許她以較低的溫度工作，從而改善其熱平衡，通常Vce為5V即可工作的很好。

電壓放大級(jí)

由于電壓放大級(jí)不僅要提供全部的電壓增益，而且還要給出正個(gè)輸出的電壓擺幅，因而電壓放大級(jí)被人為是聲頻放大器中最關(guān)鍵的部分。然而，設(shè)計(jì)的好的電壓放大級(jí)，其對(duì)整個(gè)放大器的綜合時(shí)針是沒有多達(dá)影響的，電壓放大級(jí)自身產(chǎn)生的失真是很小的。圖1-7給出了6中電壓放大級(jí)的原理圖，其中(a)為以電流源為負(fù)載的常規(guī)電壓放大級(jí);圖(b)為負(fù)載被自舉的常規(guī)電壓放大級(jí);(c)為通過加強(qiáng)β的射極跟隨器，深化局部負(fù)反饋電壓放大級(jí);(d)為采用共射—共基接法，深化局部負(fù)反饋電壓放大級(jí);(e)為加有緩沖的電壓放大級(jí);(f)為采用交替緩沖對(duì)電壓放大管負(fù)載加以自舉的電壓放大級(jí)。

圖1-7 電壓放大級(jí)的6種變形電路

使電壓放大級(jí)具有交稿的局部開環(huán)增益是很重要的，因?yàn)橹挥羞@樣一來才能對(duì)電壓放大級(jí)記憶線性化，且可采用有源負(fù)載技術(shù)，以提高電壓增益。例如圖1-7(a、b、f)所示，若要進(jìn)一步改進(jìn)電壓放大級(jí)，其較有成效的途徑是致力于改善其特性曲線的非線性。

功率輸出級(jí)

眾所周知，決定輸出級(jí)時(shí)針的最基本因素就是工作類別。由于甲類工作狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生交越失真和開關(guān)失真，因而成為理想的模式。然而，其產(chǎn)生的大信號(hào)失真仍未能小到可以忽略的程度。對(duì)甲乙類而言，如果輸出功率超出甲類工作所能承受的電平，則總諧波失真肯定會(huì)增大。因?yàn)檫@時(shí)的偏置控制是超前的，其互導(dǎo)倍增效應(yīng)(即位于甲類工作區(qū)，兩管同事導(dǎo)通所導(dǎo)致的電壓增益增大現(xiàn)象)對(duì)時(shí)針殘留物產(chǎn)生影響而出現(xiàn)了許多高次諧波。這個(gè)事實(shí)似乎還鮮為人知，恐怕是由于在大多數(shù)放大器中這種互導(dǎo)倍增失真的電平相對(duì)都比較小，并被七臺(tái)河失真所完全淹沒了的緣故。對(duì)于甲乙類而言，通過對(duì)它與甲乙類失真殘留物頻譜分析可知，除不可避免的輸出級(jí)失真外，所有的非線性都已有效地加以排除，且在奇次諧波幅度上，最佳乙類狀態(tài)要比甲乙累低10Db。實(shí)際上，奇次諧波普遍認(rèn)為是最令人討厭的東西，因此正確的做法是不避免甲乙類工作狀態(tài)。

由此看來，關(guān)于輸出級(jí)工作狀態(tài)的選擇，似乎只能在甲鐳和乙類二者中選取。但是，如果從效率、大信號(hào)失真、溫升及其它失真等方面綜合加以考慮的話，乙類的各項(xiàng)性能指標(biāo)是壓倒其它類別的，因此輸出級(jí)選擇乙類工作狀態(tài)得到廣泛應(yīng)用。

輸出級(jí)的類型

輸出級(jí)的類型約有20余種，例如射極跟隨器式輸出級(jí)、互補(bǔ)反饋對(duì)管式輸出級(jí)、準(zhǔn)互補(bǔ)式輸出級(jí)、三重式輸出級(jí)、功率FET式輸出級(jí)等，還有誤差校正型輸出級(jí)、電流傾注行輸出級(jí)及布洛姆利(Blomley)型輸出級(jí)等?，F(xiàn)僅介紹幾鐘如下：

射極跟隨器式輸出級(jí)(達(dá)林頓結(jié)構(gòu))

圖1-8是最常見的3種射極跟隨器式輸出級(jí)，他們是雙重射極跟隨器結(jié)構(gòu)，其中第一個(gè)跟隨器是第2個(gè)跟隨器(輸出管)的驅(qū)動(dòng)器。這里所以不稱為答林頓結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫_(dá)林頓結(jié)構(gòu)暗含著它可以是包括了驅(qū)動(dòng)管、輸出管以及各種射極電阻的集成塊。

圖1-8 3種類型的射極跟隨器輸出級(jí)

射極跟隨器式輸出級(jí)的特點(diǎn)是輸入是通過串聯(lián)的兩個(gè)發(fā)射結(jié)傳遞給輸出端，且這一級(jí)末加局部負(fù)反饋。另一個(gè)特點(diǎn)是在扁壓與射極電阻Re之間存在兩個(gè)不同的發(fā)射結(jié)，所傳輸?shù)碾娏鞑煌?，且結(jié)溫也不同。

三種類型電路中，(a)為盛行的一種，其特征是把驅(qū)動(dòng)管的射極電阻連接到輸出電路上去。而(b)類型兩驅(qū)動(dòng)官所公有的射極電阻Rd不在接到輸出電路上，可以在輸出管正處于關(guān)斷時(shí)讓驅(qū)動(dòng)管對(duì)其發(fā)射結(jié)加以反偏置。(c)類型是通過把兩驅(qū)動(dòng)管射極電阻分別接到側(cè)供電電路上(而不是接到輸出電路上)來維持驅(qū)動(dòng)管工作于甲類狀態(tài)的一種結(jié)構(gòu)。其突出的特點(diǎn)是在對(duì)輸出管基極進(jìn)行反偏置這一點(diǎn)上，表現(xiàn)的與(b)類型同等良好，高頻事會(huì)關(guān)端得更為干脆。

事實(shí)上，上述三種類型輸出級(jí)的共同特點(diǎn)都是在輸入端與負(fù)載之間串接了兩個(gè)發(fā)射結(jié)。另一

個(gè)特點(diǎn)就是增益降落產(chǎn)生在大輸出電壓與重負(fù)載的場(chǎng)合。

互補(bǔ)反饋對(duì)管式輸出級(jí)

互補(bǔ)反饋對(duì)管式輸出級(jí)也稱為西克對(duì)管(SzikLai-Pair)式輸出級(jí)，見圖1-9。其特點(diǎn)是，驅(qū)動(dòng)管是按照有利于對(duì)輸出電壓與輸入電壓加以比較的需求來設(shè)置的，他可以給出更好的線性以及叫好的熱穩(wěn)定性。

由博里葉分析可知，互補(bǔ)反饋對(duì)管式輸出級(jí)產(chǎn)生的大信號(hào)非線性比射極跟隨器的要小，同時(shí)，交越區(qū)的寬度也窄的多，約為±0.3V。

準(zhǔn)互補(bǔ)式輸出級(jí)

圖1-10(a)示出了標(biāo)準(zhǔn)型準(zhǔn)互補(bǔ)電路，(b)為巴克森德爾(Baxandall)準(zhǔn)互補(bǔ)電路。標(biāo)準(zhǔn)型準(zhǔn)互補(bǔ)電路在交越區(qū)附近的對(duì)稱性不佳，而對(duì)稱性得到較大的改善的是采用跋克森徳爾二極管的巴克森徳爾互補(bǔ)電路。它常用語放大器的閉環(huán)中，在其它時(shí)針已大大地排除之后，它能夠給出很好的性能。例如，當(dāng)用于負(fù)反饋因數(shù)為34dB左右(30KHz)的放大器時(shí)，在100W條件下，失真可很容易做到0.0015%(1KHz)與0.15%(10kHz)。

圖1-9 互補(bǔ)反饋對(duì)管式輸出級(jí) 圖1-10 準(zhǔn)互補(bǔ)式輸出級(jí)

三重式輸出級(jí)

三重式輸出級(jí)的電路結(jié)構(gòu)，是在輸出級(jí)的每一半電路部分使用3個(gè)晶體管二不是2只，它可以有7種變形之多。該電路形式運(yùn)用得正確，可有以下兩個(gè)好處：

a、對(duì)于大輸出電壓與電流所給出的線性較好;

b、由于能夠讓前驅(qū)動(dòng)管來處理功率很小的信號(hào)，耳使其可一直保持很低的工作溫度，從而使靜態(tài)設(shè)定條件更加穩(wěn)定。圖1-11示出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所常用的3種重式輸出電路。

輸出級(jí)的失真

輸出級(jí)的時(shí)針可細(xì)分為大信號(hào)非現(xiàn)行失真、交越失真和開關(guān)(關(guān)斷)失真3種。

大信號(hào)非線性時(shí)針

在考慮所有雙極晶體管級(jí)的情況下，它們的大信號(hào)非線性失真(LSN)共同表現(xiàn)如下：

a、LSN隨負(fù)載阻抗的減小而增大

在負(fù)載為8Ω的典型輸出級(jí)中，其閉環(huán)LSN通?？珊雎圆挥?jì)，但當(dāng)負(fù)載阻抗為4Ω時(shí)，其相對(duì)較純的三次諧波會(huì)在THD殘留物中變得明顯起來。

b、LSN隨驅(qū)動(dòng)管發(fā)射極活集電極電阻的減小而加重。

出現(xiàn)上述情況的原因是驅(qū)動(dòng)管 擺幅變大，然而其好處是可見效關(guān)端失真，二者兼顧折衷的方法是取阻值為47~100Ω。

需要指出的是，LSN在總失真所占有的比重(負(fù)載為8Ω時(shí))與交越失真和關(guān)斷失真相比是很小的。這個(gè)論斷在4Ω負(fù)載時(shí)是不成立的，更不要說是2Ω負(fù)載了。如果設(shè)計(jì)重點(diǎn)不是放在使關(guān)斷失真最小化上，冊(cè)互補(bǔ)反饋對(duì)管式輸出級(jí)通常是最佳的選擇。

c、大Ic時(shí)的增益跌落可又簡(jiǎn)單有效的前饋機(jī)制部分地加以抵消。

交越失真

交越時(shí)針之所以對(duì)乙類功放最為有害，是由于它會(huì)產(chǎn)生令人討厭的高次諧波，而且其值會(huì)隨信號(hào)電品的下降而增大。事實(shí)上，就一太驅(qū)動(dòng)8Ω負(fù)載放大器而言，其綜合線性是由交越失真來決定的，即使是在其輸出級(jí)設(shè)計(jì)的很好，并且加的偏壓也為最佳值時(shí)，也是如此。

圖1-12(欠圖)示出了失真加噪聲(THD+N)隨輸出電平降低而增大的情形，但其變化比較緩慢。實(shí)際上，射隨器式互補(bǔ)反饋對(duì)管式輸出級(jí)都具有與圖1-12相類似的曲線，不管偏置不足的程度有多大，總諧波失真在輸出電壓減半時(shí)將增加1.5倍。

圖1-12 THD+N隨輸出電平變化曲線(欠圖)

關(guān)于交越失真的情況，英國有關(guān)部門文獻(xiàn)的報(bào)道如下：

實(shí)驗(yàn)證明，就大多數(shù)指標(biāo)而言，互補(bǔ)反饋對(duì)管式輸出級(jí)優(yōu)于射極跟隨器式輸出級(jí)。有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果于表1-1、1-2、1-3中，其中表1-2、1-3分別為互補(bǔ)反饋對(duì)管式輸出級(jí)及射極跟隨器輸出級(jí)和互補(bǔ)反饋對(duì)管輸出級(jí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表中Vb為倍增偏置發(fā)生器在驅(qū)動(dòng)級(jí)基極兩端建立的電壓，工作于乙類放大狀態(tài)時(shí)，Vb=Vq~3Vq，Vq為在兩個(gè)發(fā)射極電阻Re兩端產(chǎn)生的靜態(tài)電壓，通常Vq=5~50mV，依所選的電路結(jié)構(gòu)而定。靜態(tài)電流Iq為流過輸出器件的電流，其中不包括驅(qū)動(dòng)級(jí)穩(wěn)定電流。

為了改善交越失真，記住以下條件結(jié)論是很重要的：

a、 靜態(tài)電流本身無關(guān)緊要，而VQ卻是至關(guān)重要的參量;

b、 一個(gè)能使VQ嚴(yán)格保持正確的熱補(bǔ)償方案，只需要知道驅(qū)動(dòng)管和輸出管的結(jié)溫。令人遺憾的是，這些結(jié)溫實(shí)際上是不能準(zhǔn)確測(cè)得的，但至少我們可以知道目標(biāo)是什么。

關(guān)斷失真

關(guān)斷失真取決于幾個(gè)可變因素，尤其是輸出器件的速度特性和輸出拓?fù)?。關(guān)鍵的因素是輸出級(jí)能否使輸出其間b、e結(jié)反向偏置，致使載流子吸出速度最大，以便使輸出器件迅速截止。前述圖1-8(b)射隨器輸出級(jí)電路是唯一能使輸出b、e結(jié)反向偏置的普通電路。

第二個(gè)影響因素就是驅(qū)動(dòng)級(jí)發(fā)射極或集電極的電阻值，該電阻愈小，可除去已存儲(chǔ)電荷的速度就越快，應(yīng)用這些準(zhǔn)則可明顯減小高頻失真。

此外，圖1-8(b)所示的射隨器輸出電路的共用驅(qū)動(dòng)級(jí)電阻Rd上并聯(lián)一個(gè)加速電容后，可以減小高頻時(shí)的THD失真。比如，在40Hz時(shí)，可使THD減小1半，這說明輸出器件截止要"純凈"得多。當(dāng)然在300Hz~8KHz范圍內(nèi)也是會(huì)有同樣的好處。

輸出級(jí)的選擇

對(duì)于雙結(jié)型晶體管構(gòu)成的輸出級(jí)而言，最佳輸出級(jí)的選擇如下：

(1) 第二種射極跟隨器式輸出級(jí)

這種輸出級(jí)在對(duì)付截止失真方面是最好的，但靜態(tài)電流穩(wěn)定性可能有問題。

(2) 互補(bǔ)反饋對(duì)管式輸出級(jí)

這種輸出級(jí)具有良好的靜態(tài)電流穩(wěn)定性和很小的大信號(hào)非線性，但最大的特點(diǎn)是如果不另加高壓電源，就不可能通過輸出基極反偏置來時(shí)間快速截止。

(3) 巴克森徳爾準(zhǔn)互補(bǔ)式輸出

這種輸出級(jí)在現(xiàn)行方面與射極跟隨器輸出級(jí)差不多，但具有節(jié)約輸出器件成本的優(yōu)點(diǎn)。然而其靜態(tài)電流穩(wěn)定性卻不如互補(bǔ)反饋對(duì)管式輸出級(jí)。

放大器的電源

這里簡(jiǎn)單的舉幾例常用電源。

采用TL431的穩(wěn)壓電源

圖1-13是用與集成運(yùn)放的電源實(shí)例，該電路可輸出約0.3A的電流，是一個(gè)性能很好的并聯(lián)穩(wěn)壓電源，各晶體三極管要加足夠大的散熱器。

圖1-13 采用TL431的穩(wěn)壓電源

并聯(lián)穩(wěn)壓電源的原理是由限流電路提供一比負(fù)載電流更大的電流，其一部分供給負(fù)載，多余的全部由調(diào)整管對(duì)地"短路"泄放掉，一保持輸出電壓的恒定。而串聯(lián)電源電路則是負(fù)載需要多少電流，電壓調(diào)整管則"放過"多少電流，一保持輸出電壓恒定。并聯(lián)型穩(wěn)壓電路與串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的區(qū)別只在于電壓調(diào)整管于電源的連接方式。它們同樣是起著穩(wěn)壓作用，但電源內(nèi)阻的區(qū)別帶來音質(zhì)的區(qū)別。兩種電路在相同的輸入電壓、相同的負(fù)載時(shí)，串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的內(nèi)阻比并聯(lián)型的要大的多。比如，負(fù)載Rf所需電壓U1=30V，電流If=50Ma，穩(wěn)壓電路輸入電壓U0=40V，那么在相同條件下，并聯(lián)型穩(wěn)壓電路的內(nèi)阻只是串聯(lián)型的33%。而電源內(nèi)阻低則意味著電源有交稿的能量傳輸速率，使負(fù)載所需需瞬間大電流得到及時(shí)供給，使放大器接下來度于力度得到相當(dāng)?shù)母纳坪吞岣?。并?lián)型穩(wěn)壓電路有功耗大的特點(diǎn)，不過這對(duì)于所需電流叫囂的前級(jí)是不成問題的，即使對(duì)于電流較大的后級(jí)，為了改善音質(zhì)也往往采用此種穩(wěn)壓電路。

采用場(chǎng)效應(yīng)管的穩(wěn)壓電源

場(chǎng)效應(yīng)管是電壓驅(qū)動(dòng)類型的器件，有許多優(yōu)良的特性，例如負(fù)溫度系數(shù)、抗二次擊穿頻率特性好、低噪聲等。用于電源調(diào)整管可取得極好的性能，尤其用與高壓電源，不必再去尋找高Β的高反壓雙結(jié)晶體三極管了。

圖1-14示出了一再改進(jìn)的使用電路，恒流電路采用耐壓較高的低噪聲三極管。

相關(guān)參考電路：