專利名稱:高效甲類音頻功率放大器的制作方法
本發(fā)明是一種輸出級(jí)的電源電壓和偏置受被放大信號(hào)控制的高效甲類的音頻功率放大器，屬提高半導(dǎo)體放大器輸出效率的改進(jìn)技術(shù)。
近年來(lái)，高保真放大器的研制非帶活躍，日本、美國(guó)和西歐的一些廠家都相繼研制了不少新產(chǎn)品投放市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)也有一些產(chǎn)品問(wèn)世。通常，這些放大器工作于甲(A)類或乙(B)類(包括AB類)狀態(tài)。工作在A類狀態(tài)的功率放大器不會(huì)產(chǎn)生交越失真和開(kāi)關(guān)失真，音質(zhì)優(yōu)于工作在B類狀態(tài)的功率放大器，但其效率卻遠(yuǎn)低于工作在B類狀態(tài)的功率放大器。為獲得優(yōu)美的音質(zhì)，同時(shí)又有較高的效率，一些功率放大器采用了“無(wú)截止偏置電路”，如美國(guó)施里肖爾德公司的“動(dòng)態(tài)偏置電路”、日本先鋒(pioneer)公司的“無(wú)開(kāi)關(guān)動(dòng)作放大器”、日本勝利(JVC)公司的“超甲類放大電路”、日本松下(Technics)公司的“新甲類放大電路”、日本哥倫比亞公司的“實(shí)時(shí)偏置電路”等等。這些無(wú)截止放大電路的構(gòu)思都比較巧妙。其中日本哥倫比亞公司的Denon牌POA3000型功率放大器的“實(shí)時(shí)偏置電路”更為新穎，它從輸出級(jí)偏置電流方面入手，部分解決了傳統(tǒng)A類功率放大器的低效率問(wèn)題。然而，分析電路可以看到，它的全部偏置電路設(shè)置在輸出級(jí)的信號(hào)通路中，偏置電路結(jié)構(gòu)極為繁雜，此外，由于它的輸出級(jí)的電源電壓固定不變，所以，這種“實(shí)時(shí)偏置電路”在放大器小功率輸出時(shí)的效率仍較低。德國(guó)專利DE 3013186“高效率的功率放大器”敘述了以改變電源電壓的方式提高功率放大器的效率。但是施加于放大器輸出級(jí)的電源電壓呈大幅度的階躍變化，由此產(chǎn)生的脈沖性噪聲可能通過(guò)電源而影響到放大器的輸出，電源電壓的變化階差電壓較大時(shí)更為嚴(yán)重。其次，運(yùn)用這種方式來(lái)提高功率放大器的效率，必須使電源電壓的變化比較精密地跟蹤放大器的輸出電壓，盡量壓低多余的電源電壓，方能明顯提高放大器的效率，因而就要求大大增加電源電壓的變化級(jí)數(shù)。若按德國(guó)專利DE3013186所述的方案，就要設(shè)置兩倍于電源電壓變化級(jí)數(shù)的獨(dú)立電源組，因此;當(dāng)這種要求的電壓變化級(jí)數(shù)較多時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)變得難以實(shí)現(xiàn)。特別當(dāng)放大器要具有高輸出能力時(shí)，更是如此，因而，上述專利所述的方案，對(duì)放大器效率的改善是“粗糙的”、有限的。本發(fā)明綜合了這些提高放大器效率的基本思想，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種全新結(jié)構(gòu)的高效A類音頻功率放大器。
本發(fā)明的目的是，用一個(gè)效率與輸出電壓無(wú)關(guān)的電壓受控電源和簡(jiǎn)單的受控偏置電路，施加于A類功率放大器上，從而在保證A類功率放大器的優(yōu)美音質(zhì)的前提下，降低無(wú)用損耗及發(fā)熱，提高放大器的效率。
本發(fā)明高效A類音頻功率放大器由A類功率放大器、模擬電源、量化電源以及簡(jiǎn)單的受控偏置電路組成。功率放大器的輸入級(jí)和推動(dòng)級(jí)由固定電壓的電源Vc1供電，輸出級(jí)則由電壓受控電源Vc2供電。電壓受控電源由兩大部分組成模擬電源和量化電源，模擬電源輸出端的電壓也就是電壓受控電源的輸出電壓Vc2。其中模擬電源由絕對(duì)值電路、峰值保持電路、驅(qū)動(dòng)電路和跟隨器組成;量化電源由檢測(cè)電路、代碼轉(zhuǎn)換器、觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路、電子開(kāi)關(guān)、續(xù)流管、單元電源、基始電源和儲(chǔ)能電容C組成。由于模擬電源的輸出電壓受功率放大器的輸出電壓控制，所以，功率放大器的輸出電壓愈高，電壓受控電源的輸出電壓Vc2的值也愈高，這個(gè)可變的電源電壓可保證放大器在未達(dá)到最大輸出之前的任一時(shí)刻，輸出信號(hào)電壓不被削頂，同時(shí)，又可省去多余的電源電壓;反之，當(dāng)功率放大器的輸出電壓較低時(shí)，Vc2的值也會(huì)隨之降低。但Vc2有一個(gè)最低保持值，稱為初始電壓，它一方面能克服輸出級(jí)功率管的飽和壓降，同時(shí)也提供了一個(gè)補(bǔ)償可變電源系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間延遲的緩沖量。量化電源在任何時(shí)刻都能提供一個(gè)略高于或等于模擬電源的輸出電壓Vc2與跟隨器工作電壓二者之和的量化電壓。
傳統(tǒng)A類功率放大器輸出級(jí)偏置電流通常按下式要求設(shè)定不變偏置電流IQ＝ (最大輸出功率時(shí)的電壓峰值Vomax)/(負(fù)載阻抗RL) × 1/2所以，即使是在小功率輸出狀態(tài)下，也要流過(guò)相當(dāng)大的偏置電流。本發(fā)明的高效A類功率放大器在輸出級(jí)設(shè)計(jì)有一個(gè)簡(jiǎn)單的受控偏置電路，輸出級(jí)的偏置電流受控于輸出訊號(hào)，其值為即時(shí)輸出電壓峰值的函數(shù)偏置電流IQ＝ (即時(shí)輸出功率的電壓峰值VO)/(負(fù)載阻抗RL) × 1/2即，以放大器即時(shí)輸出功率認(rèn)作為最大輸出功率的A類功率放大器輸出級(jí)所要求的偏置電流。因輸出級(jí)的偏置電流與基極電阻Rb兩端的偏置電壓VB相關(guān)，因此，可導(dǎo)出輸出級(jí)的偏置電壓VB與輸出電壓峰值Vo二者間的關(guān)系式VB＝Re/RLVo+2N Vbe式中，Re為輸出級(jí)功率管發(fā)射極反饋電阻，RL為負(fù)載電阻，N為輸出級(jí)按達(dá)林頓接法的級(jí)數(shù)，Vbe為晶體管的基-射極壓降，Vo為輸出電壓峰值。據(jù)此，本發(fā)明用了兩個(gè)偏置電阻，滿足了偏置電壓VB的動(dòng)態(tài)變化要求(Re/RI Vo)以及用共射推動(dòng)級(jí)的偏置電流和電壓受控電源的初始電壓在基極電阻Rb上的共同作用，滿足VB的靜態(tài)要求(2N Vbe)。即每一個(gè)輸出級(jí)用一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)(例如，可由三只電阻阻成)，連接電壓受控電源輸出端和輸出級(jí)偏置電流控制端之間實(shí)現(xiàn)受控偏置。輸出級(jí)受控偏置后，A類放大器就能在達(dá)到最大輸出之前，省去多余的偏置電流，從而進(jìn)一步提高放大器的效率。
由于本發(fā)明同時(shí)省去了A類放大器輸出級(jí)多余的電源電壓和偏置電流，故輸出級(jí)始終工作在A類功率放大器的最大輸出狀態(tài)，大幅度降低了無(wú)用損耗和發(fā)熱;由于在本發(fā)明中放大器工作在純A類狀態(tài)下，所以它能忠實(shí)地放大信號(hào)。本發(fā)明的高效A類功率放大器其理論效率可達(dá)50%，且不隨相對(duì)輸出功率的減少而降低。如后面圖8所示，陰影區(qū)為本發(fā)明效率改善區(qū)。
由于音樂(lè)信號(hào)峰值與平均值之比是一個(gè)很大的值，因而，要求用于高保真重放的功率放大器的最大輸出功率往往是平均使用功率的十倍以上。就這一點(diǎn)而言，本發(fā)明用于高保真音頻重放，具有特殊的意義，實(shí)際的效率改善程度更大。所以，本發(fā)明是一種高保真，高輸出和高效率的優(yōu)質(zhì)音頻功率放大器，有著廣闊的發(fā)展前景。
圖1為本發(fā)明的原理框圖。其中〔1〕是BTL的功率放大器，〔2〕是電壓受控電源、〔3〕是模擬電源、〔4〕是量化電源、〔5〕是負(fù)載RL、〔6〕是絕對(duì)值電路、〔7〕是峰值保持電路、〔8〕是驅(qū)動(dòng)電路、〔9〕是跟隨器、〔10〕是檢測(cè)電路、〔11〕是代碼轉(zhuǎn)換器、〔12〕是觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路、〔13〕是電子開(kāi)關(guān)、〔14〕是單元電源、〔15〕是續(xù)流管、〔16〕是基始電源、〔17〕是基極電阻Rb、〔18〕是功率管射極反饋電阻Re、〔19〕是偏置電阻、〔20〕是儲(chǔ)能電容器。
圖2為最簡(jiǎn)絕對(duì)值電路〔6〕。
圖3為最簡(jiǎn)峰值保持電路〔7〕。
圖4為驅(qū)動(dòng)電路〔8〕。
圖5為檢測(cè)電路〔10〕。
圖6為量化電壓級(jí)數(shù)為16級(jí)時(shí)的代碼轉(zhuǎn)換器。
圖7為用“窗口比較器”方式控制量化電源。
圖8為輸出功率與效率的關(guān)系圖表。
下面結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例。
功率放大器〔1〕的輸入級(jí)和推動(dòng)級(jí)由固定電壓的電源VC1]]>供電，輸出級(jí)由電壓受控電源〔2〕VC2]]>供電。電壓受控電源〔2〕由模擬電源〔3〕和量化電源〔4〕組成。在模擬電源中，從負(fù)載〔5〕兩端拾取的輸出電壓，經(jīng)絕對(duì)值電路〔6〕變換成單極性電壓，輸入峰值保持電路〔7〕，實(shí)現(xiàn)峰值保持，峰值保持電路的時(shí)間常數(shù)可在0-0.1秒之間選擇，保持時(shí)間愈長(zhǎng)，對(duì)效率的改善程度愈小，但電壓受控電源系統(tǒng)的響應(yīng)延時(shí)對(duì)高頻信號(hào)放大的影響愈小，因此，這個(gè)參數(shù)主要取決于電壓受控電源的器件響應(yīng)速度，其次，取決于對(duì)保真度的要求。驅(qū)動(dòng)電路〔8〕有兩個(gè)功能(1)在未得到峰值保持電路〔7〕的輸出信號(hào)之前，產(chǎn)生一個(gè)初始電壓，以克服輸出級(jí)功率管的飽和壓降，也可對(duì)電壓受控電源跟蹤時(shí)間上的延遲提供一個(gè)補(bǔ)償用的緩沖電壓量;(2)當(dāng)峰值保持電路〔7〕的輸出電壓出現(xiàn)于驅(qū)動(dòng)電路〔8〕的輸入端后，驅(qū)動(dòng)電路〔8〕將峰值保持電路〔7〕的輸出電壓疊加在初始電壓之上，驅(qū)動(dòng)跟隨器〔9〕，因此，電壓受控電源的輸出電壓VC2]]>是初始電壓與放大器〔1〕輸出電壓的絕對(duì)值或其峰值保持值之和。跟隨器〔9〕可以是一組達(dá)林頓接法的晶體管，也可以是一個(gè)三端穩(wěn)壓器。這個(gè)模擬電源〔3〕還防止量化電壓跳變引起的副作用，并能降低電源內(nèi)阻。
量化電源〔4〕由檢測(cè)電路〔10〕、代碼轉(zhuǎn)換器〔11〕、觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路〔12〕、電子開(kāi)關(guān)〔13〕、單元電源〔14〕、續(xù)流管〔15〕、基始電源〔16〕和儲(chǔ)能電容〔20〕組成。檢測(cè)電路〔10〕和代碼轉(zhuǎn)換器〔11〕組成一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，它可對(duì)電壓受控電源輸出電壓的高低進(jìn)行檢測(cè)比較，并按預(yù)先給定的對(duì)應(yīng)關(guān)系輸出二進(jìn)制碼控制信號(hào)，然后通過(guò)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路〔12〕控制各單元電源〔14〕回路中的電子開(kāi)關(guān)〔13〕，使之?dāng)嚅_(kāi)或閉合。各單元電源〔14〕的電壓值不同，它們之間的關(guān)系與控制方式有關(guān)，以二進(jìn)制碼方式控制各組單元電源〔14〕時(shí)，各單元電源〔14〕的電壓值之間約成二倍率關(guān)系遞推，即VK＝2VK-1，K＝1，2，3，4……。
式中K為單元電源〔14〕的組號(hào)，VK即為第K組單元電源〔14〕的電壓值。
在本實(shí)施例中，取V1＝5V，則V2＝10V，V3＝20，V4＝40V。
這樣，在二進(jìn)制碼控制方式下，開(kāi)閉各路電子開(kāi)關(guān)〔13〕，就能在模擬電源〔3〕的輸入端合成一個(gè)有2K種電壓值的量化電壓，量化電壓經(jīng)模擬電源〔3〕加以模擬化后，施加于高效A類功率放大器的輸出級(jí)。采用這種編碼方式合成質(zhì)化電壓，可用少量的單元電源〔14〕組合得到較多的量化電壓變化級(jí)數(shù)。例如以5伏特的量化電壓階差間隔來(lái)合成最高輸出為80伏特的量化電壓，只需四組單元電源〔14〕和一個(gè)5伏特以上的基始電源〔16〕。各單元電源〔14〕的電壓值分別為V1＝5V、V2＝10V、V3＝20V、V4＝40V。詳見(jiàn)表一。
因?yàn)殡妷菏芸仉娫础?〕還要為放大器〔1〕提供一個(gè)最低保持電壓，另設(shè)常開(kāi)的基始電源〔16〕。量化電源〔4〕中的續(xù)流管〔15〕的作用是，當(dāng)本級(jí)的單元電源〔14〕回路被電子開(kāi)關(guān)〔13〕斷開(kāi)后，可提供一個(gè)電流通路，使其它單元電源〔14〕合成的量化電壓仍能施加于模擬電源〔3〕的輸入端，而在本級(jí)的電子開(kāi)關(guān)〔13〕接通時(shí)，則續(xù)流管〔15〕反偏，量化電源〔4〕中的儲(chǔ)能電容〔20〕的作用是保證量化電壓不會(huì)在轉(zhuǎn)換瞬間中斷，并能消除可能發(fā)生的脈沖干擾，由于其容量較小，所以，不會(huì)影響整個(gè)電壓受控電源〔2〕的輸出電壓上升速率。
由上可見(jiàn)，量化電源〔4〕的設(shè)置，使得模擬電源〔3〕的輸入輸出電壓差終始被限制在一定的范圍內(nèi)，其波動(dòng)的范圍為一個(gè)量化電壓階差值，所以，電源部分的損耗不會(huì)因輸出電壓的降低而變化，而只能是電壓受控電源〔2〕的輸出電壓VC2]]>愈低，量化電源〔4〕關(guān)斷的單元電源〔14〕的組數(shù)愈多或電壓值愈高，從而，向電網(wǎng)索取的功率也愈少。
本發(fā)明中的受控電源偏置實(shí)施如下負(fù)載〔5〕上的輸出電壓Vo使電壓受控電源〔2〕的輸出電壓VC2]]>有一個(gè)增量△Vc2＝Vo，這個(gè)電壓增量通過(guò)偏置電阻〔19〕在基極電阻Rb〔17〕上也產(chǎn)生一個(gè)增量△VB，從而使輸出級(jí)的偏置電流上升至A類放大所要求的數(shù)值，即由偏置電阻〔19〕和基極電阻Rb〔17〕組成的分壓網(wǎng)絡(luò)滿足了高效A類放大的偏置要求。必要時(shí)還須接入熱敏元件，以對(duì)輸出級(jí)的功率管進(jìn)行熱補(bǔ)償。
本發(fā)明的電壓受控電源〔2〕和受控電流偏置可用于OCL功率放大器，也可用于BTL功率放大器。用于OCL時(shí)，要求有兩組電源，即設(shè)置兩組模擬電源〔3〕和兩組量化電源〔4〕，由一組檢測(cè)控制電路控制。用于BTL功率放大器時(shí)，其平衡能力較強(qiáng)，而且輸出級(jí)只需一組單極性的電源電壓。在最大輸出功率相同的條件下，BTL功率放大器要求的電源電壓絕對(duì)值只是OCL功率放大器的二分之一。因而，在BTL功率放大器中，實(shí)施本發(fā)明可將量化電壓的階差設(shè)計(jì)得小些，使模擬電源〔3〕的輸入輸出電壓差的波動(dòng)范圍更小，從而，減少無(wú)用損耗的波動(dòng)范圍?；蚩蓽p少單元電源〔14〕的組數(shù)也能達(dá)到目的。另外，在這二種電路上實(shí)現(xiàn)受控偏置時(shí)，因OTL為一組輸出級(jí)，故需一套電阻網(wǎng)絡(luò)，而B(niǎo)TL要二組。
如上所述，在本實(shí)施例中，量化電壓合適的階差電壓取在1V-10V之間，在量化電源〔4〕的最高合成電壓值不變的情況下，階差電壓適當(dāng)取小些，對(duì)提高效率有利，但單元電源〔14〕的組數(shù)增多;反之，階差電壓取大些，單元電源〔14〕的組數(shù)可減少，但對(duì)提高效率不利。因此，應(yīng)適當(dāng)選擇。
本發(fā)明還可通過(guò)其它方式予以實(shí)施。例如，模擬電源〔3〕的A/D轉(zhuǎn)換部分可由一個(gè)窗口比較器〔21〕和一個(gè)計(jì)數(shù)器〔22〕代替，檢測(cè)模擬電源的輸入輸出電壓差。低于或高于預(yù)先設(shè)定的范圍，就分別輸出“加”脈沖或“減”脈沖，來(lái)改變可逆計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)，從而控制量化電壓的組合。如圖7，其它部分同上。
另外，在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，也可省去模擬電源〔3〕，由負(fù)載〔5〕上的輸出電壓直接控制量化電源〔4〕的輸出電壓高低，其它部分同上。
或者模擬電源〔3〕的輸出電壓通過(guò)一個(gè)附加的電壓放大器，直接受控于放大器的輸入信號(hào)。
當(dāng)然，本發(fā)明也可按下述形式部分實(shí)施，即輸出級(jí)偏置電源設(shè)定在A類放大器的要求值，利用電壓受控電源〔2〕以提高放大器的效率;或固定輸出級(jí)的電源電壓于傳統(tǒng)A類放大器的要求值，利用一個(gè)小功率的電壓受控電源(可不用量化電源)，通過(guò)偏置電阻〔19〕和基極電阻〔17〕，實(shí)現(xiàn)受控偏置電流。這兩種做法對(duì)于功率放大器小功率輸出時(shí)的效率改善程度相同，都能使放大器的效率高于傳統(tǒng)A類功率放大器，但低于50%。
本發(fā)明高效A類功率放大器以純A類方式工作，所以音質(zhì)極佳。另外，由于設(shè)置了電壓受控電源〔2〕和受控偏置電流，故在任一時(shí)刻，放大器輸出級(jí)的電源電壓和偏置電流值，均是以該時(shí)刻放大器的輸出功率認(rèn)作最大輸出功率的A類功率放大器所要求的電源電壓和偏置電流值。因此，解決了傳統(tǒng)A類功率放大器的主要缺陷。
注表中“1”表示通，“0”表示斷。
權(quán)利要求
1.一種包括放大電路、負(fù)載、跟隨器的高效A類音頻功率放大器，其特征在于有受被放大信號(hào)控制的由模擬電源和量化電源組成的電壓受控電源和受被放大信號(hào)控制的受控偏置電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的高效A類音頻功率放大器，其特征在于量化電源由檢測(cè)電路、代碼轉(zhuǎn)換器、觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路、基始電源、多組電壓值約成二倍率關(guān)系的單元電源、儲(chǔ)能電容器、電子開(kāi)關(guān)和續(xù)流管構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的高效A類音頻功率放大器，其特征在于模擬電源由絕對(duì)值電路、峰值保持電路、驅(qū)動(dòng)電路和跟隨器構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的高效A類音頻功率放大器，其特征在于受控偏置電路是連接于電壓受控電源輸出端和輸出級(jí)偏置電流控制端之間的分壓網(wǎng)絡(luò)，基本結(jié)構(gòu)為三枚電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的高效A類音頻功率放大器，其特征在于所說(shuō)的跟隨器是基準(zhǔn)電壓受控的跟隨管或三端穩(wěn)壓器。
6.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的高效A類音頻功率放大器，其特征在于所說(shuō)的電子開(kāi)關(guān)是二進(jìn)制碼式開(kāi)關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的高效A類音頻功率放大器，其特征在于量化電源包含有一個(gè)“窗口電壓比較器”和一個(gè)“可逆計(jì)數(shù)器”。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的高效A類音頻功率放大器，其特征在于功率放大器的輸出級(jí)也可僅由量化電源直接供電;或可僅設(shè)置電壓受控電源或受控偏置電路。
專利摘要
本發(fā)明是一種輸出級(jí)的電源電壓和偏置電源受被放大信號(hào)控制的高效A類音頻功率放大器，由功率放大器、電壓受控電源和受控偏置電路構(gòu)成。任一時(shí)刻，高效A類音頻功率放大器輸出級(jí)的電源電壓和偏置電流值，均為以該時(shí)刻的輸出功率認(rèn)作最大輸出功率的傳統(tǒng)A類功率放大器輸出級(jí)所要求的電源電壓和偏置電流值。因此，本發(fā)明解決了傳統(tǒng)A類功率放大器的主要缺陷。
文檔編號(hào)H03F3/20GK86101540SQ86101540
公開(kāi)日1988年4月13日 申請(qǐng)日期1986年8月18日
發(fā)明者孫一鳴 申請(qǐng)人:孫一鳴導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan