專利名稱：電流模高保真功率放大器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明適及一種電流模高保真功率放大器，屬于電子音響技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
自1877年愛迪生發(fā)明留聲機至今，已經(jīng)一百多年了。前70年的音響發(fā)展緩慢且停留在象牙塔里。直到1927年，貝爾實驗室發(fā)明了劃時代的負反饋(NFB)技術(shù)之后，高保真功率放大器才進入歷史舞臺。隨著電子器件推陳出新，電路形式不斷改進，高保真功率放大器性能不斷提高。以前人們用CD聽音樂，傳統(tǒng)高級高保真功率放大器的性能已能滿足要求。
根據(jù)電路中關(guān)鍵節(jié)點的阻抗高低的區(qū)別，傳統(tǒng)高保真功率放大器屬于電壓模放大器。它主要由差分輸入級、共射電壓放大級、功率輸出級等幾部分組成。為了獲得放大器的高共模抑制比、提高輸入級的線性，降低輸入級的噪音和直流失調(diào)電壓，傳統(tǒng)高保真功率放大器的輸入級幾乎一律都采用差分對管放大電路，對輸入信號進行緩沖。電壓放大級被認為是高保真功率放大器中最關(guān)鍵的部分，它決定了整個放大器的頻響和失真，由三極管共射電壓放大級構(gòu)成。電壓放大級的輸出信號由射極跟隨器構(gòu)成的功率輸出級提供數(shù)千倍的電流增益緩沖輸出，驅(qū)動負載。日本先鋒公司推出的M22K高保真功率放大器采用這種經(jīng)典電路的結(jié)構(gòu)，使音質(zhì)達到高境界，成為現(xiàn)代高保真功率放大器設計的典范；日本金嗓子公司的A-100放大器，采用兩級共射-共基雙差分輸入級、共射-共基電壓放大級、并聯(lián)功率管輸出，集名機之精華，是傳統(tǒng)電壓模高保真功率放大器的旗艦。就其線路本質(zhì)來說，仍采用了M22K經(jīng)典的電路結(jié)構(gòu)，但大量使用了共射-共基電路，并且電路高度對稱，從而拓展了頻帶，提高了放大器的速度。不過由于其單元電路更考究更復雜，對器件的要求也很高，售價驚人。
1999年，飛利浦和索尼公司共同開發(fā)了高質(zhì)量音源——SACD(超級聲頻CD)，使音源的頻帶延伸至100KHz，動態(tài)范圍高達120dB，之后四年里這種技術(shù)不斷的發(fā)展和完善，而由于相應的寬頻功放機和寬頻音箱等設備不普及，使得SACD機在四年里一直默默無聞。目前全球已有兩百萬消費者選擇了SACD播放機，SACD的市場已漸趨穩(wěn)定，人們對寬頻、高速的新型高保真功率放大器需求更加迫切。
另外，自1970年Otalc博士提出了晶體管放大器的瞬態(tài)互調(diào)失真(TIMD)理論至今，各種期刊發(fā)表的論文上千篇，但一直沒有找到簡便而有效的避免瞬態(tài)互調(diào)失真的辦法。面對高質(zhì)量的音源，傳統(tǒng)放大器不免有些落伍了。在這種情況下，研發(fā)超寬頻帶、超高速的新型高保真功率放大具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有高保真功率放大器存在的頻帶和響應速度不能滿足高質(zhì)量音源——SACD、DVD-Audio等新一代高級數(shù)字音源的更高要求，人們需求的狀況，以及現(xiàn)有高級高保真功率放大器對器件的高要求，售價驚人等不足，提供超寬頻帶、超高速的一種電流模高保真功率放大器。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種電流模高保真功率放大器，其特征在于所述的功率放大器由輸入緩沖級，電流傳輸器，跨阻放大器，緩沖輸出級，負反饋網(wǎng)絡和積分電路組成；跨阻放大器的一端接電流傳輸器的輸出端，另一端與緩沖輸出級的輸入端聯(lián)接；負反饋網(wǎng)絡的一端接地，負反饋網(wǎng)絡的另一端接緩沖輸出級的輸出端，負反饋網(wǎng)絡的中端接電流傳輸器的反相輸入端；積分電路的一端接緩沖輸出級的輸出端，積分電路的另一端接電流傳輸器的反相輸入端；緩沖輸出級采用不少于二級達林頓輸出結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明公開了電流模技術(shù)在音響技術(shù)中的應用，所謂電流模高保真功率功率放大器是指以電流作為變量，在電流域中對信號進行處理的一種新型功率放大器。電流模原本是高速通信和視頻處理中新興的一種高性能信息處理技術(shù)。電流模放大技術(shù)雖有頻帶寬，速度快的優(yōu)點，但也存在著失調(diào)電壓大，共模抑制能力差的缺點。特別是將其應用在電阻、電感、電容復合型負載，器件工作在大電流、大功率的情況惡劣條件下，對電路穩(wěn)定性要求極高的高保真聲頻功率放大領域內(nèi)，需要解決許多問題。本發(fā)明采取了一系列措施，穩(wěn)定地實現(xiàn)了超寬通頻帶、高速、低失真和低噪聲放大，其性能較傳統(tǒng)電壓模高保真放大器有突破性的提高。
電流模高保真功率放大器由于采用了高速通信和視頻處理技術(shù)中新興的電流模技術(shù)，實現(xiàn)了超寬通頻帶、高速、低失真和低噪聲放大，其性能較傳統(tǒng)電壓模式高保真放大器有突破性的提高。前級、后級頻響技術(shù)指標分別為3.8MHz和1.1MHz，轉(zhuǎn)換速率為300V/us，遠高于進口數(shù)萬元的高保真功放。在并不增加成本的前提下，實現(xiàn)了快速、寬帶、高線性的高保真聲頻功率放大。將對未來高保真聲頻功率放大技術(shù)產(chǎn)生深遠影響。


圖1為本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明應用電路圖；具體實施方式
結(jié)合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明，本發(fā)明公開了電流模技術(shù)在音響技術(shù)中的應用，所謂電流模高保真聲頻功率放大器是指以電流作為變量，在電流域中對信號進行處理的一種新型功率放大器。該放大器由輸入緩沖級A1、第二代電流傳輸器CCII、跨阻放大器I/V、輸出緩沖級A2、負反饋網(wǎng)絡和積分電路等幾部分組成，電路各級均構(gòu)成跨導線性(Transliner-TL)回路；跨阻放大器由補償電容C3、C11為核心，結(jié)合電流傳輸器和緩沖輸出級構(gòu)成，補償電容C3的一端交流接地，補償電容C3的另一端接電流傳輸器的輸出端與緩沖輸出級的輸入端之間；負反饋網(wǎng)絡由電阻R39和電阻R41組成，電阻R39的一端接地，電阻R41的一端接緩沖輸出級的輸出端，電阻R39與電阻R41的連接端接電流傳輸器的反相輸入端，電阻R41的取值范圍為1-2KΩ，最佳值為1.21KΩ。
輸入信號由A1輸入緩沖級緩沖后，送入CCII第二代電流傳輸器。其中Y是電壓輸入器，X是電流輸入端，呈零輸入阻抗，低阻抗X輸入端的電流將全部傳送到高阻抗輸出端Z。同時，Z端也是跨阻抗放大器I/V的輸入端，動態(tài)時，利用‘Z’點的高阻抗將CCII的輸出電流IZ轉(zhuǎn)變成電壓。最后，利用只有電流增益的輸出級A2緩沖輸出。
受信息處理領域內(nèi)經(jīng)典電流模放大器結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，結(jié)合傳統(tǒng)高保真聲頻功率放大器的設計經(jīng)驗，并采取了以下一系列措施，使得電流模放大技術(shù)在高保真聲頻功率放大器中得到科學應用，突破性地提高了放大器的性能。
1.輸入級的上、下恒流源分別由三極管Q1、Q2和Q12、Q14組成的Widlar電流鏡實現(xiàn)，改變?nèi)龢O管Q1、Q2共集電極中串聯(lián)電阻R12、R24的阻值可以方便地調(diào)節(jié)輸入級的靜態(tài)電流。電阻R12、R24阻值范圍分別為33-100，最佳值為72，Widlar電流鏡可確保輸入級的高穩(wěn)定性、低噪聲和高電流增益。PCB板設計時，將Q1、Q2和Q12、Q14分別面對面安裝，使其達到良好的溫度補償，提高輸入級的穩(wěn)定性。
2.電流模高保真聲頻功率放大器要求器件絕對對稱，否則放大器工作的穩(wěn)定性將變得很差。但受器件制造工藝的影響，絕對對稱是不可能實現(xiàn)的。為此，在放大器信號處理電路中給每個晶體管都加入發(fā)射級電流負反饋電阻，如電阻R1、R2、R13、R14等。大大提高了放大器的穩(wěn)定性。
3.緩沖輸出級三極管Q6、Q18的b、c極之間接入補償電容C3、C11，通過調(diào)節(jié)補償電容C3、C11的容量來調(diào)節(jié)放大器的頻率響應和轉(zhuǎn)換速率，補償電容C3、C11的容量范圍分別為15-100Pf，最佳值為30Pf。
4.電流模放大器失調(diào)電壓大，對音箱不安全。筆者引入了以集成電路IC1(NE5532)為核心，包括外圍電路的積分器，將失調(diào)電壓降到理想值以下。
5.電流模放大器共模抑制能力差，筆者采用了性能優(yōu)秀的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源為前級供電，并且前后級分別供電。
6.為了降低負載對前級的影響，采用三級達林頓輸出結(jié)構(gòu)，并且多管并聯(lián)，提高了電流模高保真功放的負載驅(qū)動能力。
7.緩沖輸出級的輸入端接有以三極管Q10為核心的V be倍增電路，安裝時將三極管Q10也裝在輸出級的散熱器上，調(diào)節(jié)三極管Q10的基極與發(fā)射極之間可變電阻R19即可調(diào)節(jié)輸出級的靜態(tài)電流，并且由于三極管Q10和輸出級晶體管的良好的溫度補償效果，穩(wěn)定了輸出級的工作。電流模高保真功放大幅度拓寬放大器的頻響，我們知道人耳的聽覺范圍為20Hz—20KHz，但如果僅以20KHz的正弦波信號來考察放大器的性能是不合理的。在自然界中，波形為正弦波的純音根本不存在，這類聲音只存在人為的測試音中。人耳對20KHz的方波和正弦波感覺不同，說明20KHz的方波信號中的高次諧波對人耳的聽覺有貢獻。若將方波傅氏展開，可得到頻率為基波頻率的奇數(shù)倍，而其幅值隨頻率的上升而下降的正弦波。
對于20KHz的方波，若把幅度小于基波幅度的五十分之一的諧波成分舍去(對于額定功率100W的放大器，51次諧波對應的電壓幅值約0.5V)，則20KHz方波的最高正弦波諧波成分約為1MHz，即應以1MHz的正弦波考察放大器的頻響要求。
電流模高保真功率放大器實現(xiàn)了超寬頻帶，傳統(tǒng)電壓模放大器中，必不可少的共射電壓放大器晶體管負載阻抗很大，密勒效應嚴重影響了高頻響應，放大器做到寬帶放大絕非易事。電流模放大器中，它的電路拓撲結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)放大器完全不同，影響速度和帶寬的晶體管級間電容工作在阻抗很低的節(jié)點上，RC時間常數(shù)極小，根據(jù)文獻，其閉環(huán)－3dB帶寬BWF=12πCTRf]]>只和負反饋電阻Rf和接入跨阻放大器的補償電容CT有關(guān)。這樣，放大器就可以做到超寬頻帶，完美重播音樂中的超高頻信號。這可確保相位完美的特色，這是正確音場重播的基本元素。
電流模高保真功率放大器無增益帶寬積為常數(shù)的概念，閉環(huán)帶寬BWf直接與Rf和CT的乘積成反比，與閉環(huán)增益Auf無關(guān)，或者說電流摸高保真聲頻放大器的GBW(增益帶寬積)遠比普通電壓模放大器大，而且沒有GBW為常量的約束，實現(xiàn)增益與帶寬的獨立調(diào)節(jié)。
電流模高保真功放有效避免瞬態(tài)互調(diào)失真，如果要用放大器處理快速上升的脈沖和大振幅的高頻率輸出時，除了放大器的帶寬外，被稱為轉(zhuǎn)換速率的特性也起著重要作用。當輸入信號含有速度很高的瞬態(tài)脈沖時，傳統(tǒng)放大器受制于電流源和負載電容對電流的限制，輸出端便不能立即得到應有的輸出電壓，輸入級也不能及時得到應有的負反饋電壓。在此瞬間，放大器處于負反饋失控的開環(huán)狀態(tài)，輸入級瞬時嚴重過載，輸出將嚴重削波，引起過渡脈沖瞬時失真，這稱為瞬態(tài)互調(diào)失真。瞬態(tài)互調(diào)失真給人以“金屬聲”的不快感覺，導致音質(zhì)明顯劣化，俗稱為“晶體管聲”?，F(xiàn)在流行的避免瞬態(tài)互調(diào)失真的手段是采用淺負反饋、局部負反饋甚至無負反饋設計，但這些或者并不是根本的解決辦法，或者為此付出的代價是高昂的。
電流模功率放大器消除了瞬態(tài)互調(diào)失真，電流模放大器的電路結(jié)構(gòu)完全不同，沒有電流源和負載電容對電流的限制。根據(jù)文獻，電流模放大器轉(zhuǎn)換速率SR=VORfCT=2πVOBWf]]>隨輸入信號幅度線性增長，大信號輸入時，電流模放大器的轉(zhuǎn)換速率比傳統(tǒng)放大器大得多。我們可以調(diào)節(jié)負反饋電阻Rf和補償電容CT的參數(shù)，大幅度拓展放大器的帶寬，實現(xiàn)放大器的超高速化，徹底消除瞬態(tài)互調(diào)失真，確保了電流模放大器有大幅度高頻信號低失真重放能力。例如國際頂級的丹麥“貴豐”放大器產(chǎn)品都有超闊頻寬的特色，顯著增強了放大器對高速瞬變信號的處理能力。
電流模功率放大器的全功率帶寬接近于閉環(huán)帶寬，將SR代入全功率帶寬的表示式，得BWP=SR2πVO=BWf]]>即電流模放大器的全功率帶寬接近于閉環(huán)帶寬，實現(xiàn)了大功率、高頻、低失真的高性能功率放大。
權(quán)利要求
1.一種電流模高保真功率放大器，其特征在于所述的功率放大器由包括輸入緩沖級，電流傳輸器，緩沖輸出級，跨阻放大器，負反饋網(wǎng)絡和積分電路組成；跨阻放大器的一端接電流傳輸器的輸出端，另一端與緩沖輸出級的輸入端聯(lián)接；負反饋網(wǎng)絡的一端接地，負反饋網(wǎng)絡的另一端接緩沖輸出級的輸出端，負反饋網(wǎng)絡的中端接電流傳輸器的反相輸入端；積分電路的一端接緩沖輸出級的輸出端，積分電路的另一端接電流傳輸器的反相輸入端；緩沖輸出級采用不少于二級達林頓輸出結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流模高保真功率放大器，其特征是跨阻放大器由補償電容C3、C11為核心，結(jié)合電流傳輸器和緩沖輸出級構(gòu)成，補償電容C3的一端交流接地，補償電容C3的另一端接電流傳輸器的輸出端與緩沖輸出級的輸入端之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流模高保真功率放大器，其特征是負反饋網(wǎng)絡由電阻R39和電阻R41組成，電阻R39的一端接地，電阻R41的一端接緩沖輸出級的輸出端，電阻R39和電阻R41連接端接電流傳輸器的反相輸入端，電阻R41的取值范圍為1-2KΩ.
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流模高保真功率放大器，其特征是輸入緩沖級的上、下恒流源分別由三極管Q1、Q2和Q12、Q14組成的Widlar電流鏡實現(xiàn)，改變?nèi)龢O管Q1、Q2共集電極中串聯(lián)電阻R12、R24的阻值調(diào)節(jié)輸入級的靜態(tài)電流，電阻R12和R24阻值總和范圍為33-100KQ，PCB板設計時，將三極管Q1、Q2和Q12、Q14分別面對面安裝。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流模高保真功率放大器，其特征是所述放大器信號處理電路中每個三極管都加入發(fā)射級電流負反饋電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流模高保真功率放大器，其特征是緩沖輸出級三極管Q6、Q18的b、c極之間接入補償電容C3、C11，通過調(diào)節(jié)電容C3、C11的容量來調(diào)節(jié)放大器的頻率響應和轉(zhuǎn)換速率，補償電容C3、C11的容量范圍分別為15-100Pf。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流模高保真功率放大器，其特征是積分電路以集成電路IC1(NE5532)為核心，包括外圍電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流模高保真功率放大器，其特征是緩沖輸出級各級多管并聯(lián)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流模高保真功率放大器，其特征是緩沖輸出級的輸入端接有以三極管Q10為核心的V be倍增電路，安裝時將三極管Q10裝在緩沖輸出級的散熱器上，調(diào)節(jié)三極管Q10的基極與發(fā)射極之間可變電阻R19改變緩沖輸出級的靜態(tài)電流，三極管Q10和緩沖輸出級晶體管的溫度補償穩(wěn)定輸出級的工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電流模高保真功率放大器，屬于電子音響技術(shù)領域，由輸入緩沖級，電流傳輸器，跨阻放大器，緩沖輸出級，負反饋網(wǎng)絡和積分電路組成，本發(fā)明公開了電流模技術(shù)在音響技術(shù)中的應用，是指以電流作為變量，在電流域中對信號進行處理的一種新型功率放大器，由于采用了高速通信和視頻處理技術(shù)中新興的電流模技術(shù)，實現(xiàn)了超寬通頻帶、高速、低失真和低噪聲放大，其性能較傳統(tǒng)電壓模式高保真放大器有突破性的提高，前級、后級頻響技術(shù)指標分別為3.8MHz和1.1MHz，轉(zhuǎn)換速率為300V/μs，遠高于進口數(shù)萬元的高保真功放，在并不增加成本的前提下，實現(xiàn)了快速、寬帶、高線性的高保真聲頻功率放大，對未來高保真聲頻功率放大技術(shù)產(chǎn)生深遠影響。
文檔編號H03F1/32GK1750386SQ200510039218
公開日2006年3月22日 申請日期2005年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月30日
發(fā)明者王豐碩 申請人:王豐碩