專利名稱：面向電流的s類放大電路的制作方法
面向電流的S類放大電路—、 fe;ft艦本發明涉及模擬電子領域的信號放大電路，尤其是對于失真、轉換速率和頻率響應要求極高的音頻功 率放大電路。二、背暈技術1947年12月，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁、布拉頓三人發明了晶體管。與電子管相比，晶體管 有許多優點體積小，重量輕，壽命長，耗能低，制造工藝簡單，使用時不需預熱。晶體管漸漸在大 多數領域取代了電子管，但是仍然都無法完全取代電子管，特別是在Hi-Fi (High-Fidelity:高保真) 音響領域和專業音頻處理領域。晶體管制作的放大器雖然指標更高，卻因為奇次協波失真太多，聽感 不佳。反而電子管音頻放大器至今還依然擁有大量的發燒友。實際上在晶體管發明以前，就已經確定了放大電路的基本思路，晶體管出現之后，雖然放大電路經歷 了很多的發展，有很多晶體管的放電電路出現，但是放大電路的根本思路仍然沒有變化，依然沿用了 電子管時代的的面向電壓的放大思想、說到底電子管是一個電壓輸入電流輸出的電子器件，電子管的輸出電流和輸入電壓成比例的線性關 系。而晶體管則是電流輸入電流輸出的電子器件，輸出電流和輸入電壓并不是線性的關系，而是呈對 數關系。因此依然沿用電子管的電壓輸入電流輸出的放大電路思想來設計晶體管功放，不可避免會引 入很多非線性失真。因為輸入信號是電壓的關系，輸入電壓的某些取值范圍會造成三極管閉合，而三 極管重新打開過程的時延降低了整個放大電路的轉換速率，并引入了新的開關失真。還因為采用電壓 負反饋，過慢的轉換速率使得反饋電壓滯后于輸入電壓而進--步加大了失真。電壓輸出的情況還會在 遇到非線性的負載時會被負載的反電動勢所千擾，引起動態失真。自從晶體管出現以來，將近60年的時間里，人們--直沿用電子管的電壓放大理論，沒有真正成熟的 適用于晶體管電路的放大思想出現。難怪晶體管在音頻放大領域走的這么艱難，晶體管還遠遠沒有發 揮出它應有的水平。目前現有標稱電流放大的電路，有兩種， 一種是在傳統放大電路的基礎上修改部分電路為電流激勵， 但是整體還是以電壓放大為核心，遠遠沒有解決電壓放大的種種問題。另一種是使用鏡流源的引申出 的具有放大比例的鏡流電路，這種電路結構復雜，需要的元件數量多，設計和實現都很麻煩，因此很 少被使用。耍設計真正面向電流的放大電路存在一些尚未解決的技術難題1. 因為輸入信號為電壓，因此需要一個非常優秀的壓變電流單元將輸入電壓信號轉變為電流信號， 而設計一個低失真高速的壓變電流單元本身就是一個難題。2. 電流放大電路偏置電流也是一個設計上的難題。各放大級采用電流直接偶合的情況下，偏置電流 每經過一級晶體管就會增加IOO倍左右，制作一個可用的放大電路的偏置電流往往會達到兒A甚 至兒十A,遠遠超過正常可承受的范圍。3. 目前的電流放大電路都只能放大電流，而無法同時放大電壓，而功率輸出要求的恰恰是電流和電 壓同時放大的結果。
三、發明內容為了設計一種真正適用于晶體管的成熟的面向電流的放大思想，我克服曾經學過知識的桎梏，從最根 本的三極管電流特性入手，本著簡沾至上的精神，經過了近一年業余時間的設計和試驗，設計出了一 套面向電流的放大理論，并經過試驗證明切實可行。首先晶體管三極管是一個電流輸入電流輸出的器件，在物理模型上可以近似的看作一個放大比例為P 的電流控制型電流源(CCCS)，簡稱流控電流源。我先以流控電流源說明我的放大屯路的思想。虛擬負載背景技術中已經提到，目前電流放大未解決的輸入的壓流轉換，偏置電流，和電壓放大等問題。為了解決這些難題，我引入了自己BM的"虛擬負載"的概念。"虛擬負載"是一個純電阻特性的器件(實 際電路中采用沒有電感的精密電阻)，使得輸入信號完全加在虛擬負載上，由此產生的電流將被采樣 作為輸入電流信號。經過采樣的輸入電流信號送入流控電流源中進行放大，經過流控電流源放大之后 的大電流信號直接作為輸出電流加 f負載之上，由輸出電流在負載上產生的壓降來完成電壓放大。見 圖i。最后的放大電路的電壓放大倍數是公式--:電m大倍數=負載電阻x電流放大倍數p +虛擬負載電阻這種電流輸出方式適合負載為純電阻，特別是負載理想中為純電阻的情況。因為很多理想中為純電阻 的負載實際卻有著電感存在，傳統的電壓輸出的情況在放大電路驅動負載的時候會遇到負載自身電感 產生的反電動勢阻抗，降低輸出功率，造成動態失真。而本發明的電流輸出模式則可以完全解決這個 問題，因為輸出電路把負載當作--個純電阻的虛擬負載來驅動，輸出的不再是電壓而是電流，負載上 的任何反電動勢無法對輸出電流產生任何影響。對于非純電阻的負載，或者是耍求輸出結果為電壓量的情況"F，可以增加一個反饋電阻，從放大電路的輸出連接至虛擬負載電阻的輸入。通過引入輸出電壓量的反饋，實現電壓輸出的功能。見圖2。這種情況下的電壓放大倍是公式二電壓放大倍數=反饋電阻x輸入電壓+虛擬負載屯阻虎-^必游敏屈及乂譜炎攻虔艱房力j ^公式一游翁菜之銀.當公乂二游資龍教效:r公乂一游皮義'保 教^f餘必汰欲使卿裙翁忠，攻義微不微銜公f 。壓流轉換理想狀況下流控電流源的輸入電流部分是沒有壓降的，但實際當中遠非這樣，因此在壓流轉換部分我采用了局部電壓負反饋，反餓虛擬負載上的電壓量來確保IR流轉換的絕對線性，并使用運算放大器來 完成反饋運算，見圖3。反饋的結果是虛擬負載上的電壓等于輸入的信號的電J^因為流入運放負極 的電流可以近似看成o,因此流過流控電流源輸入部分的電流等f虛擬負載上流過的電流，因此壓流 轉換函數是采樣電流=虛擬負載上的電壓+虛擬負載電阻 =輸入屯壓+虛擬負載電阻壓流轉換部分既然采用了運算放大器完成負反饋，還可以利用運算放大器完成一部分的信號放大r.作，見圖4。在壓流轉換級引入放大運算之后的轉換函數是采樣電流=虛擬負載上的電壓+虛擬負載電阻=輸入電壓X (反饋電阻+對地電阻+1 ) +虛擬負載電阻.
流控電流源的fi體管實現流控電流源是一個四端的元件，而晶體三極管只有三個管腳， 一個品體三極管不足以實現流控電流源 的電流采樣和電流放大兩部分工作，因此電流采樣部分和電流放大部分需要兩個晶體三極管分別實 現，見圖5。流過虛擬電阻的電流近似等子電流采樣關的集電極電流，電流采樣管的集電極電流就是 電流放大管的基極電流，放大管的集電極電流是電流放大管基極電流的P倍，因此放大管輸出的集電 極電流等于P倍的虛擬負載上流過的電流。對于電壓輸山的情況，同樣可以引入反饋電阻而改電流輸出為電壓輸出，見圖6。 不+關睡觸船ffi激勵上面提到的流控電流源的電流采樣部分使甩了類似共射放大的形式，只是取的輸出量不同。但是這種 電路依然有以往電壓放大電路的種種弊端，輸入電壓在0~0.6付的范圍內會引起三極管閉合，降低 了放大電路的轉換速度，還引入開關失貧.。在這里，我根據晶體三極管在集電極反壓偏置情況下仍然有電流的特性，SM了集電極反壓激勵電路，見閣7。這里其實是利用了基極一集電極電壓VBc和集電極電流lc的特性。Vbc—Ic特性非常有意思， 我沒有在任何廠家的晶體管手冊中看到有講過這個特性曲線，也從來沒有任何電路中用到這個特性。 恰恰我在試驗當中發現這個特性奇特的地方，那就是當Vbc等于甚至小于0付的時候，仍然保持著集電極電流，并且一直可以到Vm:小于等于-0.9付(根據不同型號三極管略有不同)時集電極電流才會有大幅度的減少，但仍然會保持很小涓流。這是因為只耍BE結保持暢通，發射極不斷有電荷流到基 極，那么就一定會在集電極聚集很多電荷，而這些電荷會成為高電勢并形成電流。一但有電壓信號過來，VRC升高之前聚集起來的電荷立刻形成電流，因此這個電路的轉換速率非常快。在電流采樣三極管 前邊加入一級集電極反壓激勵，可以保證電流采樣三極管處于高速導通的狀態。三極管放大倍數P值變化的問題因為三極管的放大倍數隨著集電極電流大小也有變化，因此在負載耍求必須電流驅動的時候，為了保 證絕對的線性放大電流輸出，還可以采附在輸出級反餓電流信號，來實現精確控制的電流輸出，見圖 8 完整的正半波放大電路解決了上面的各個難題，我們就得到了完整的正半波放大電路如圖9。以上是以輸入信號的正半周來講述S類放大電路的思想和原理，耍放大正負信號，可以采用平衡推挽 的結構，晶體三極管和部分其他零件個數加倍。在正半周放大中一共使用了一個運算放大器，三個晶 體三極管，和6個電阻即完成了 iE半波的放大電路。電路形式簡潔，實際的元件數目非常少。本發明的有益效果是低失真，高電壓轉換速率，頻率響應寬，支持直流放大。對負載的適應能力強，可以完成無反饋電流 輸出，電壓反饋電壓輸出和電流反餓電流輸出。結構簡單利于小型化。本放大電路安全性很高，因為 核心采用電流輸出，當輸出短路的時候電路仍然可以正常工作。采用集電極的輸出部分，當因為溫度 過高BE結擊穿時，只會造成沒有輸出信號，而不會有直流輸出燒毀負載。 本發明開創了面向電流的晶體管放大電路的新方向。四
圖1 (虛擬負載概念，電流輸出模式)-
圉2 (虛擬負載概念，電壓輸出模式)圖3 (壓流轉換反餓原理)圖4 (帶放大的壓流轉換反饋原理)圖5 (流控電流源的晶體管實現)租6 (流控電流源電壓輸出的晶體管實現)圖7 (集電極反壓激勵原理)圖8 (電流負反饋電流輸出)圖9 (完整的正半波放大部分)五具體實施方式
制作電路板烊接元件，接入經過整流濾波的S流電源，運算放大器使用15V供電，集電極反壓激勵可 以也使用15V供電，輸出三極管，根據實際輸出的功率耍求選擇不同的供電電壓，100W可以選擇30V 供電，200付可以選擇40V供龜，300V可以選擇50V供電。接通電源之后從運放的正輸入級輸入信號， 既可得到放大的信號輸出。
權利要求
1.一種面向電流的放大電路，完成輸入信號的功率放大、電壓放大或電流放大。其特征是采用面向電流的設計思想，引入虛擬負載的概念，通過輸入信號在虛擬負載上形成的電流完成輸入信號的采樣，并將此采樣電流放大后的電流直接加在負載上完成放大信號的輸出。
2. 根據權利耍求1所述的放大電路，其特征是在電壓電流轉換和電流采樣電路中利用三極管的BC結 電壓和集電極電流的特性實現集電極反壓輸出來激勵另一個三極管的基極，實現高速無關閉的壓流轉 換電路。
3. 根據權利要求1所述的放大電路，其特征是在電壓電流轉換和電流采樣電路中利用運算放大器以及取值于虛擬負載電壓而非運放輸出電壓的特殊反饋網絡來進行反饋運算，以實現精確的電壓電流轉換 和電M樣。
全文摘要
面向電流的S類放大電路。從面向電流的角度出發，采用“虛擬負載”、“集電極反壓激勵”和“特殊反饋網絡”技術，克服了傳統A類、B類和AB類放大電路的種種弊端，可以實現電壓放大，電流放大和功率輸出的功能。失真小，速度快，帶寬高，驅動力強，安全性高，不怕輸出短路，不會燒毀負載。結構簡單，利于小型化。
文檔編號H03F1/42GK101127508SQ200610109698
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月18日 優先權日2006年8月18日
發明者泉 宋 申請人:泉 宋