專利名稱：功率管互補功率放大器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電子技術領域，是一種功率管互補功率放大器。
背景技術：
晶體管功率放大器技術經歷了兩個階段的發展，第一階段是變壓器耦合功率放大器，第二階段是無變壓器功率放大器(Output Transformer Less, 0TL)及無輸出稱合電容功率放大器(Output Capacitor Less, 0CL),即互補射隨器。由于變壓器笨重、低頻性能差及難以集成化，目前變壓器耦合放大器已經基本讓位于OTL電路及OCL電路。要求輸入信號同時加到OTL電路或OCL電路兩功率管的基極或柵極。如果互補射隨器的兩個功率管的基極接在一起，雖然有利于輸入信號同時加到兩功率管的基極，但是管子無偏置電流，在信號過零前后數值很小時受發射結死區電壓影響，功率晶體管不能及 時開啟，使輸出電壓波形在零點附近為零，發生平坦交越失真。現有OTL及OCL技術對于平坦交越失真的處理辦法大致有下列兩種第一種方法是與功率管發射結并聯平衡二極管。通常用兩只二極管串聯與兩只功率管發射結并聯，據說是以二極管流過電流時產生的正向壓降與功率三極管發射結正向壓降相平衡，以給后者發射結提供偏壓，使其在無信號時即輕微導通，總導通角稍大于180°，形成所謂甲乙類功率放大器，消除交越失真。實際上二極管及三極管發射結pn結正向壓降離散很厲害，很難匹配，平衡效果很差。如硅pn結正向壓降名義值0. 7V，實際測量一批硅二極管或三極管發射結可發現，即便同一批管子的pn結正向壓降也會低達0. 5V，高達0. 8V。通常給二極管串聯一只電位器進行調整。但是這種調整顧此失彼，調整難度大、效果差。如信號幅度IV時，往往交越失真剛剛消除，卻又出現非線性失真。若信號稍強，則又發生單邊削波失真。若信號幅度更大，則莫名其妙的失真更多。阻值小了無效果，阻值大了又影響信號耦合及功率放大倍數。還有人干脆只用一只二極管串聯電阻進行平衡。一只二極管只有一個pn結，一個pn結如何與兩個pn結平衡呢？兩只二極管能平衡，一只二極管也能平衡，從一個側面說明二極管平衡做法根本缺乏理論基礎。二極管平衡效果不好的直接反映是制造、調試、使用或維修時容易燒毀功率管或揚聲器等負載。于是認為平衡效果不好是功率管燒毀的原因，又廣泛流行在互補功率管發射極或源極串聯兩只大約0.1 Q的電阻來保護功率管。實際上，阻值如此之低的電阻對功率管根本起不到任何保護作用，卻又因為流過較大電流而明顯影響放大器功率增益及效率。總之,與功率三極管并聯二極管的充分性并不存在。三極管是否能得到偏置，關鍵是有無直流電源經過限流電阻加在其發射結上，而不是與其發射結并聯什么元器件。與三極管發射結并聯二極管，非但不能為三極管提供偏置電流，反而與其爭奪偏置電流。與功率三極管并聯二極管的必要性也不存在。[0013]與功率三極管并聯二極管的充分性及必要性都不存在，目前與互補射隨器的功率三極管并聯二極管的做法是不合適的。實際上目前與互補射隨器中的功率三極管并聯二極管的觀點紙上說得多、實際做得少，個中原因就在于此。第二種方法是把并聯二極管改為并聯三極管。與兩只功率三極管的發射結并聯一只三極管，所并聯的三極管依然不是為功率三極管提供基極偏置電流，而是與其爭奪基極偏置電流。故與功率三極管發射結并聯三極管的必要性也不存在。三極管集-射壓降屬于派生參數，根本不可能與功率三極管的發射結壓降平衡，并聯三極管根本不能給功率三極管提供偏壓。因此與功率三極管發射結并聯三極管的充分性也不存在。與功率三極管發射結并聯三極管(平衡三極管)的必要性及充分性都不存在，而且換上的三極管還要增加分壓偏置電阻等，結果無謂地使功放電路更加復雜。并聯好似堆砌。實際上二極管堆砌效果很差，三極管堆砌效果也不好。于是又流行給平衡三極管并聯一只電容。雖然實際上電容完全可以取代平衡三極管，但是由于傳統觀念影響的根深蒂固，沒有人敢貿然去掉平衡三極管。結果使電路愈發龐大、問題愈加復雜、制造、調整及維修工作愈加難做。很多燒友制作功放時就是簡單地照圖紙組裝，遇到問題往往一籌莫展，燒毀功率管或燒毀揚聲器的事情屢見不鮮。并聯二極管或并聯三極管只是與功率三極管爭奪一部分基極偏置電流，但并沒有把所有偏置電流都完全搶過去，即沒有徹底破壞偏置，而且并聯二極管能直接為功率三極管基極信號提供一個通道，并聯三極管利用旁路分流原理為信號提供通道，就是說并聯二極管或并聯三極管并非完全錯誤，使得與互補功率管發射結并聯二極管的觀點和并聯三極管的做法能夠在一定的歷史時期內占據正統地位。很多人都逐步認識到，晶體管發射結偏置電壓與基極偏置電流比較起來，重要的是基極偏置電流。無論在單管BJT放大器還是在互補的雙管BJT放大器中，BJT晶體管發射結偏置電壓都是次要的，而基極偏置電流才是主要的，而最關鍵的是集電極偏置電流。無論在單管FET放大器還是在雙管互補FET放大器中，FET晶體管柵一源偏置電壓都是次要的，而漏極偏置電流才是關鍵的。電壓與電流比較起來，OTL電路及OCL電路中偏置電流及電流放大顯得尤為重要。目前理論不是把電流作為重點，而是把無關緊要的發射結偏置電壓作為重點，是發生失誤的主要原因。用工作點的術語講，集電極偏置電流及集電極一發射極偏置電壓屬于工作點的內涵，基極偏置電流只是工作點的外延。由于Pn結輸入特性的離散性，發射結電壓與基極電流的相關性很差，因此發射結偏置電壓就連工作點的外延也很難算上。把連外延也算不上的發射結偏置電壓作為重點來對待，忽視了本來是重點的基極偏置電流及最關鍵的集電極偏置電流，是目前電子學理論的欠缺所在，而基礎理論的欠缺必然造成電路設計的失誤。
實用新型內容本實用新型的目的是去掉冗余元器件，徹底解決現有互補功放存在的平衡二極管多余、平衡三極管低效、電路復雜、調整困難、效果不好等問題，達到容易調整、改善性能等目的。本實用新型的技術方案功率管互補功率放大器，由異極性BJT組成或由異溝道FET組成的單電源電路或、雙電源電路或橋式電路，其特征在于主要由NPN功率晶體管與PNP功率晶體管及電容、電阻組成的互補射隨器，NPN管與PNP管基極之間通過電容、電阻或電容和電阻連接起來；主要由N溝道增強型功率場效應管與P溝道增強型功率場效應管及電阻、電容組成的互補源隨器，N溝道管與P溝道管柵極之間通過電阻、電容或電阻和電容連接起來。所述的功率管可以是普通晶體管，也可以是復合晶體管。所述的功率管基極之間接有電阻的互補射隨器還可進行直流信號功率放大；柵極之間接有電阻的互補源隨器還可進行直流信號功率放大。進一步地可以是對稱輸入互補射隨器的兩功率管的基極之間由兩串聯電容連接，信號電壓自兩電 容的中點接入。偏輸入互補源隨器的兩功率管的基極之間通過一個電容連接，信號電壓可以首先輸入到任意一個功率管的基極，再經該電容耦合到另外一個功率管的基極。電阻耦合互補射隨器的兩功率管的基極之間由兩串聯的電阻或一個電位器連接，信號電壓自兩電阻或電位器的中點接入。對稱輸入互補源隨射器的兩電阻串聯、兩電容串聯后再并聯，共同接在兩功率管的柵極之間，電壓信號自兩電容的中點接入。對稱輸入互補源隨器的兩串聯電阻與兩串聯電容的中點可以不連接，也可以連接
在一起。偏輸入互補源隨器的兩功率管的柵極之間通過并聯的電阻電容連接，信號電壓可以先輸入到任意一個功率管的柵極，再經該電容耦合到另外一個功率管的柵極。對稱輸入橋式互補源隨器兩功率管的柵極之間串接兩個電容，電壓信號自兩個電容的中點接入。偏輸入橋式互補源隨器兩功率管的柵極之間串接一個電容，電壓信號輸入到任意一個功率管的基極，再經電容耦合到另一個功率管的基極。所述的功率管互補功率放大器可以是分立元件，也可以是集成電路。實用新型原理互補功放的技術關鍵一是如何給功率三極管提供偏置，二是如何把信號同時加到兩個功率管的基極或柵極。首先以互補射隨器為例說明設計原理。將偏置電阻加在直流電源與功率三極管基極之間，就能給功率三極管提供偏置電流。發射結偏置電壓大小并不直接影響功放工作效果。眾所周知，與電阻并聯電容不影響直流穩態。pn結雖說是一種非線性電阻，但與pn結并聯電容也不影響其直流穩態。備置兩只耦合電容，一只接到NPN功率管的基極，另一只接到PNP功率管的基極，就能把信號同時加到兩只互補功率管的基極。這實際等效于在兩個互補功率管的基極之間并聯接入兩個串聯電容，信號自兩個串聯電容的中點輸入，能使輸出電壓的正負半波獲得完全相同的頻率特性。將偏置電阻接在互補射隨器的電源與功率管的基極之間，電容接在兩個互補功率管的基極之間。并聯電容既不影響偏置，又能在互補功率管的兩個基極或柵極之間傳遞交流信號。把交流信號加在任意一個功率管的基極上，就等于同時把交流信號加在另一個互補功率管的基極上。輸出電壓的中高頻特性不受耦合電容影響，正負半波基本相同。只要接在兩個互補功率管的基極之間的電容足夠大，就可以使輸出電壓的正負半波獲得近似相同的低頻特性。將兩只電阻或一只電位器接在兩個互補功率三極管的基極之間，信號加在兩只電阻的中點或電位器的中點，就能給功率三極管提供直流信號通道，將信號同時加在兩個互補功率管的基極上，進行直流功率放大。為此將接在兩個互補功率三極管的基極之間的兩只電阻或電位器稱為信號傳遞電阻。調整信號傳遞電阻與偏置電阻的比例，就能改變功率管偏置電流。將兩只相同的偏置電阻各自接在正電源與N溝道增強型功率場效應管的柵極及P溝道管的柵極與地之間，或者各自接在正電源與N溝道管柵極之間及P溝道管柵極與負電源之間，一只電位器接在N溝道管與P溝道管的柵極之間，就形成偏置電路。改變電位器阻值，就能同時調整兩只場效應管的柵一漏偏置電壓及漏極偏置電流。 信號加在電位器的中點，就能給功率場效應管提供直流信號通道，同時將信號加在兩個互補功率管的柵極上，可進行直流功率放大，也可進行交流功率放大。所以改稱功率管互補功率放大器，而不再稱為甲乙類功放，是因為它已經不限于甲乙類，適當同步減小兩個基極/柵極偏置電阻，就可以升級為甲類功率放大器。而且這種功能變換或擴展可以由用戶自己進行。平時可以調為甲乙類以節省電能，喜慶節日可以調為甲類以渲染氣氛。電容耦合方式、互補射隨器及互補源隨器均業已為大眾知曉。信號放大器設計計算原理及過程參見元增民主編《模擬電子技術》(中國電力出版社，2009)。本實用新型的創造性在于去掉無用而有害的平衡二極管及低效的平衡三極管，把電容耦合、電阻耦合、互補射隨器及互補源隨器等幾種典型技術有機融合在一起，從而消除傳統甲乙類功放的先天性弊病，達到簡化電路、降低制造調整難度、降低成本、方便使用、節省功耗、改善音響品質等效果。
圖I所示為本實用新型的單電源對稱輸入電容耦合互補射隨器功放電路。圖2所示為雙電源對稱輸入電容耦合互補射隨器功放電路。圖3所示為單電源電容耦合互補射隨器功放偏輸入電路。圖4所不為雙電源電容稱合互補射隨器功放偏輸入電路。圖5所示為單電源電阻耦合互補射隨器功放電路。圖6所示為雙電源電阻耦合互補射隨器功放電路。圖7所示為單電源電容耦合互補源隨器功放電路。圖8所示為雙電源電容耦合互補源隨器功放電路。圖9所示為另一種單電源電容耦合互補源隨器功放電路。圖10所示為另一種雙電源電容耦合互補源隨器功放電路。圖11所示為單電源電容耦合互補源隨器偏輸入功放電路。圖12所不為雙電源電容稱合互補源隨器偏輸入功放電路。圖13所示為電容耦合互補源隨器BTL橋式功放電路。[0060]圖14所不為偏輸入電容稱合互補源隨器BTL橋式功放電路。圖15所不為一種信號放大器與新型功放結合在一起的音頻放大電路實施例。圖16所示為另一種信號放大器與新型功放結合在一起的音頻放大電路實施例。圖17所示為OP信號放大器與新型功放結合的實施例。圖18所示為OP信號放大器與新型BTL功放結合的實施例。
具體實施方式
下面根據附圖和實施例進一步說明實用新型的內容。圖I所示功放電路電容C1X2與兩只互補功率管的發射結并聯，既將交流信號分別耦合到兩只互補功率管的基極，又不影響功率管直流偏置。直流電源Ucc通過偏置電阻Rbl、 Rb2給兩只互補功率管提供基極偏置電流及集電極偏置電流。輸出電壓經電容C3加到負載&上。偏置電阻Rbl、Rb2采用正溫度系數電阻并盡可能靠近功率管，可防止溫度上升時集電極偏置電流明顯增加而燒毀功率管。偏置電阻Rbl、Rb2的整定就是簡單同步調整。可以根據音量大小等要求計算需要若干并聯電阻，設計成一定方式如波段開關式或琴鍵開關式，在不同位置投切不同的電阻，實現不同的效果。平時投切高阻值偏置電阻，節省電能，節慶日投切低阻值偏置電阻，渲染氣氛。圖2所示功放電路與圖I相比，除多了負電源Um，少了電容C3，其他與圖I相同。圖3所示單電源電容耦合互補射隨器功放偏輸入電路中，電容C2與兩只互補功率管發射結并聯。直流電源Ucc通過偏置電阻Rbl、Rb2給兩只互補功率管提供基極偏置電流。信號電壓經電容C1加到NPN功率管的基極，同時又通過C2耦合到PNP功率管的基極。輸出電壓經電容C3加到負載&上。圖4所不為雙電源電容稱合互補射隨器功放偏輸入電路。與圖3相比，圖4除多了負電源Um,少了輸出f禹合電容C3,其他相同。圖5所示單電源電阻耦合互補射隨器功放電路直流電源Ucc通過偏置電阻Rbl、Rb2給兩只互補功率管提供基極偏置電流。電阻Rb3與互補功率管的發射結并聯。信號電壓經輸入耦合電容C1及電阻Rb3的中點加到NPN功率管的基極及PNP功率管的基極。輸出電壓經電容C3加到負載&上。去掉電容C1及電容C3，還可用于對直流信號進行功率放大。圖6所示雙電源電阻耦合互補射隨器功放電路可用于對雙極性直流信號進行功率放大。圖7所示單電源電容耦合互補源隨器功放電路中，直流電源Ucc通過分壓偏置電阻Rgl、Rg2、Rg3給兩只互補功率管提供柵極偏置電壓及漏極偏置電流。電容C1X2與Rg3及兩只互補功率管的柵-源極并聯，將信號分別耦合到N溝道功率管柵極和P溝道功率管柵極。輸出電壓經電容C3加到負載&上。Rgl、Rg2采用正溫度系數、Rg3采用負溫度系數、并且在結構上盡可能靠近功率管，可防止溫度上升時漏極偏置電流明顯增加而燒毀功率管。圖8所示雙電源電容耦合互補源隨器功放電路與圖7相比，除多了負電源Uss，少了輸出I禹合電容C3,其他相同。圖9所示另一種單電源電容耦合互補源隨器功放電路與圖7相比，除多了輸入耦合電容C3，并將Rg3拆分為兩個電阻并將這兩個電阻中點與兩電容的中點連接以外，其他相同。[0075]圖10所示另一種雙電源電容耦合互補源隨器功放電路與圖9相比，除多了負電源Uss，少了輸入耦合電容C3及輸出耦合電容C4，其他相同。圖11所示單電源電容耦合互補源隨器偏輸入功放電路中電容C2與兩只互補功率管的柵極并聯。直流電源Ucc通過偏置電阻Rgl、Rg2及Rg3給互補功率管提供柵極偏置電壓及漏極偏置電流。信號電壓經電容C1加到N溝道功率管的柵極，同時又通過C2耦合到P溝道功率管的柵極。信號經功率放大后由電容C3加到負載&上。圖12所示雙電源電容耦合互補源隨器偏輸入功放電路與圖11相比，除多了負電源Uss，少了輸出耦合電容C3，其他與圖11相同。圖13所示電容耦合互補源隨器BTL橋式功放電路中，直流電源U。。通過偏置電阻Rbl>Rb2給互補功率管I\、T2提供偏置電流，又通過偏置電阻Rb3、Rb4給互補功率管T3、T4提供偏置電流。待放大的信號一方面加在BTL電路左輸入端,另一方面經反相后加在右輸入端。 在信號正半周，BTL電路的功率管T1和T4進一步導通，電流自左至右流過負載& ;在信號負半周，BTL電路的功率管T3和T5進一步導通，電流自右至左流過負載& ；圖14所示偏輸入電容耦合互補源隨器BTL橋式功放與圖13相比，除將電容C1X2合為C2，將C1獨立，將C3、C4合為C4,將C3獨立，將對稱輸入改為偏輸入，其他相同。圖15所示為信號放大器與新型互補射隨器功放結合在一起的音頻放大電路。在本實施例中，Ti、T2管的@值取不小于100倍，T3> T4互補功率管的@值取不小于50倍，就能用該電路將彩電等設備的音頻輸出信號Audio放大后驅動揚聲器。信號放大器取雙級共射放大結構，優點是能有效補償非線性失真，有利于使信號放大器輸出電壓的THD很小，以獲得最佳音響效果。基極偏置電阻Rbl可按照Rbl=P來設計；Rb2可按照Rb2 2 0 2Rc2來設計。基極偏置電阻Rbl、Rb2取正溫度系數，可抑制溫度飄移。電容C2、C4 彡 47nF,電容 C1' C3> C5 ^ 10 U F，C6 彡 100 U F。圖16所示另一種信號放大器與新型互補射隨器功放結合在一起的音頻放大電路實施例。與圖15比較，圖16電路中信號放大器多了一級射隨器，驅動能力更強，能帶動更大的負載。圖15能驅動20吋彩電的5W揚聲器，圖16能驅動功率更大的揚聲器。圖17所示為OP信號放大器與新型功放結合的實施例。圖18所示為OP信號放大器與新型BTL功放結合的實施例。圖15、圖16、圖17、圖18中虛線圈出部分為本實用新型核心技術特征電路。從圖15、圖16、圖17、圖18四個實施例可以看出，本實用新型的特點還有第一，信號放大電路與互補功放電路涇渭分明，特別有利于設計制造及維護；第二，信號放大電路各級之間以及從信號放大電路到互補功放之間都用電容耦合，有利于避免或減少某一功率管長時間開啟而燒毀。即使是OCL電路，調試時也可在負載與功放輸出端之間臨時接一個電容，以隔斷直流通道，可靠避免燒毀功率管或揚聲器等負載。
權利要求1.功率管互補功率放大器，由異極性的BJT組成或由異溝道的FET組成的單電源電路或雙電源電路或橋式電路，其特征在于主要由NPN功率晶體管與PNP功率晶體管及電容、電阻組成的互補射隨器，兩功率管基極之間通過電容、電阻或電容和電阻連接起來；主要由N溝道增強型功率場效應管與P溝道增強型功率場效應管及電阻、電容組成的互補源隨器，兩功率管柵極之間通過電阻、電容或電阻和電容連接起來。
2.根據權利要求I的功率管互補功率放大器，其特征在于兩功率管的基極之間由兩串聯的電容連接，信號電壓自兩電容的中點接入。
3.根據權利要求I的功率管互補功率放大器，其特征在于兩功率管的基極之間通過一個電容連接，信號電壓可以首先輸入到任意一個功率管的基極，再經該電容耦合到另外一個功率管的基極。
4.根據權利要求I的功率管互補功率放大器，其特征在于兩功率管的基極之間由兩串聯的電阻或一個電位器連接，信號電壓自兩電阻或電位器的中點接入。
5.根據權利要求2或3或4所述的功率管互補功率放大器，其特征在于所用功率三極管可以是普通晶體管，也可以是復合晶體管。
6.根據權利要求I的功率管互補功率放大器，其特征在于兩電阻串聯、兩電容串聯后再并聯，共同接在兩功率管的柵極之間，電壓信號自兩電容的中點接入。
7.根據權利要求6的功率管互補功率放大器，其特征在于兩串聯電容的中點與兩串聯電阻的中點可以獨立，也可以連接在一起。
8.根據權利要求I的功率管互補功率放大器，其特征在于兩功率管的柵極之間通過并聯的電阻電容連接，信號電壓可以先輸入到任意一個功率管的柵極，再經該電容耦合到另外一個功率管的柵極。
9.根據權利要求I的功率管互補功率放大器，其特征在于兩功率管的柵極之間串接兩個電容，電壓信號自兩個電容的中點接入。
10.根據權利要求I的功率管互補功率放大器，其特征在于兩功率管的柵極之間串接一個電容，電壓信號輸入到任意一個功率管的基極，再經電容耦合到另一個功率管的基極。
專利摘要功率管互補功率放大器，由異極性的BJT組成或由異溝道的FET組成的單電源電路或雙電源電路或橋式電路，其特征在于主要由NPN功率晶體管與PNP功率晶體管及電容、電阻組成的互補射隨器，NPN管與PNP管基極之間通過電容、電阻或電容和電阻連接起來；主要由N溝道增強型功率場效應管與P溝道增強型功率場效應管及電阻、電容組成的互補源隨器，N溝道管與P溝道管柵極之間通過電阻、電容或電阻和電容連接起來。本實用新型的優點是電路簡單，而且即使輸入信號幅度達到極限，也不會發生交越失真。
文檔編號H03F1/32GK202524361SQ20122005706
公開日2012年11月7日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者元增民, 元旭津, 劉偉, 尹俊峰, 張勁輝, 張躍勤, 徐建英, 林琪, 歐紅波, 郭承恩 申請人:長沙學院