功率放大器的結構

 

功率放大器的方框圖如圖1-1所示。

 

 

差分對管輸入級

 

輸入級主要起緩衝作用。輸入輸入阻抗較高時，通常引入一定量的負反饋，增加整個功放電路的穩定性和降低噪聲。

 

1.前置激勵級的作用是控製其後的激勵級和功勞輸出級兩推挽管的直流平衡，並提供足夠的電壓增益。

 

激(ji)勵(li)級(ji)則(ze)給(gei)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)級(ji)提(ti)供(gong)足(zu)夠(gou)大(da)的(de)激(ji)勵(li)電(dian)流(liu)及(ji)穩(wen)定(ding)的(de)靜(jing)態(tai)偏(pian)壓(ya)。激(ji)勵(li)級(ji)和(he)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)級(ji)則(ze)向(xiang)揚(yang)聲(sheng)器(qi)提(ti)供(gong)足(zu)夠(gou)的(de)激(ji)勵(li)電(dian)流(liu)
，以(yi)保(bao)證(zheng)揚(yang)聲(sheng)器(qi)正(zheng)確(que)放(fang)音(yin)。此(ci)外(wai)

，功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)級(ji)還(hai)向(xiang)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)、指示電路提供控製信號和向輸入級提供負反饋信號（有必要時）。

 

放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)級(ji)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)級(ji)幾(ji)乎(hu)一(yi)律(lv)都(dou)采(cai)用(yong)差(cha)分(fen)對(dui)管(guan)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)。由(you)於(yu)它(ta)處(chu)理(li)的(de)信(xin)號(hao)很(hen)弱(ruo)，由(you)電(dian)壓(ya)差(cha)分(fen)輸(shu)入(ru)給(gei)出(chu)的(de)是(shi)與(yu)輸(shu)入(ru)端(duan)口(kou)處(chu)電(dian)壓(ya)基(ji)本(ben)上(shang)無(wu)關(guan)的(de)電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu)，加(jia)之(zhi)他(ta)的(de)直(zhi)流(liu)失(shi)調(tiao)量(liang)很(hen)小(xiao)，固(gu)定(ding)電(dian)流(liu)不(bu)再(zai)必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)反(fan)饋(kui)網(wang)絡(luo)，所(suo)以(yi)其(qi)線(xian)性(xing)問(wen)題(ti)容(rong)易(yi)處(chu)理(li)。事(shi)實(shi)上(shang)
，它(ta)的(de)線(xian)性(xing)遠(yuan)比(bi)單(dan)管(guan)輸(shu)入(ru)級(ji)為(wei)好(hao)。圖(tu)1-2示出了3種最常用的差分對管輸入級電路圖。

 

圖1-2種差分對管輸入級電路

 

在輸入級電路中
，輸入對管的直流平衡是極其重要的。為了取得精確的平衡，在輸入級中加上一個電流反射鏡結構
，如圖1-3所(suo)示(shi)。它(ta)能(neng)夠(gou)迫(po)使(shi)對(dui)管(guan)兩(liang)集(ji)電(dian)極(ji)電(dian)流(liu)近(jin)於(yu)相(xiang)等(deng)，從(cong)而(er)可(ke)以(yi)對(dui)二(er)次(ci)諧(xie)波(bo)準(zhun)確(que)地(di)加(jia)以(yi)抵(di)消(xiao)。此(ci)外(wai)

，流(liu)經(jing)輸(shu)入(ru)電(dian)阻(zu)與(yu)反(fan)饋(kui)電(dian)阻(zu)的(de)兩(liang)基(ji)極(ji)電(dian)流(liu)因(yin)不(bu)相(xiang)等(deng)所(suo)造(zao)成(cheng)的(de)直(zhi)流(liu)失(shi)調(tiao)也(ye)變(bian)得(de)更(geng)小(xiao)了(le)，三(san)次(ci)諧(xie)波(bo)失(shi)真(zhen)也(ye)降(jiang)為(wei)不(bu)加(jia)電(dian)流(liu)反(fan)射(she)鏡(jing)時(shi)的(de)四(si)分(fen)之(zhi)一(yi)。

 

在平衡良好的輸入級中，加上一個電流反射鏡，至少可把總的開環增益提高6Db。而對於事先未能取得足夠好平衡的輸入級
，加上電流反射鏡後，則提高量最大可達15dB。另一個結果是，起轉換速度在加電流反射鏡後，大致提高了一倍。

 

在輸入級中，即使是差分對管采用了電流反射鏡結構，也仍然有必要采取一定措施，以見效她的高頻失真。下麵簡述幾鍾常用的方法。

 

1）、恒頂互導負反饋法

 

圖1-4示出了標準輸入級（a）和加有恒定互導（gm）負反饋輸入級（b）的電路原理圖。經計算，各管加入的負反饋電阻值為22Ω當輸入電壓級為-40dB條件下,經測試失真由0.32%減小到了0.032%。同時，在保持gm為恒定的情況下，電流增大兩倍,並可提高轉換速率(10~20)V/us。

 

 

圖1-3標準電流反饋鏡輸入級 1-4 標準輸入級和加有恒定互導負反饋輸入級

將輸入管換成互補反饋行對管的方法，簡稱為CFP法，電路示於圖1-5。

 

圖1-5 改進型差分管輸入級

 

這種輸入級與上述恒定互導負反饋輸入級相比，在輸入電壓級為-30dB情況下

，測試結果顯示，恒定互導負反饋輸入級給出的三次諧波失真為0.35%，而CFP型輸入級的三次諧波失真為0.045%，對其它情況來說，後者的三次諧波失真大致為前者的一半。

 

共射—共基互補輸入電路示於圖1-6（c）在該圖示值情況下，當輸入電平級為-30Db時，失真見效到0.016%左右。另外
，由於該電路在輸入管集電極處不存在值得重視的電壓波動，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。

 

a. 共射—共基互補型輸入級

b. 將輸入管換成互補負反饋型對管

c. 改進輸入級線性的方法

d. 加有電流反射鏡的輸入級

 

電壓放大級

 

由you於yu電dian壓ya放fang大da級ji不bu僅jin要yao提ti供gong全quan部bu的de電dian壓ya增zeng益yi，而er且qie還hai要yao給gei出chu正zheng個ge輸shu出chu的de電dian壓ya擺bai幅fu
，因yin而er電dian壓ya放fang大da級ji被bei人ren為wei是shi聲sheng頻pin放fang大da器qi中zhong最zui關guan鍵jian的de部bu分fen。然ran而er，設she計ji的de好hao的de電dian壓ya放fang大da級ji，其qi對dui整zheng個ge放fang大da器qi的de綜zong合he時shi針zhen是shi沒mei有you多duo達da影ying響xiang的de，電dian壓ya放fang大da級ji自zi身shen產chan生sheng的de失shi真zhen是shi很hen小xiao的de。圖tu1-7給出了6中電壓放大級的原理圖，其中（a）為以電流源為負載的常規電壓放大級；圖(b)為負載被自舉的常規電壓放大級；（c）為通過加強β的射極跟隨器，深化局部負反饋電壓放大級
；（d）為采用共射—共基接法，深化局部負反饋電壓放大級；（e）為加有緩衝的電壓放大級；(f)為采用交替緩衝對電壓放大管負載加以自舉的電壓放大級。

 

圖1-7 電壓放大級的6種變形電路

 

使(shi)電(dian)壓(ya)放(fang)大(da)級(ji)具(ju)有(you)交(jiao)稿(gao)的(de)局(ju)部(bu)開(kai)環(huan)增(zeng)益(yi)是(shi)很(hen)重(zhong)要(yao)的(de)，因(yin)為(wei)隻(zhi)有(you)這(zhe)樣(yang)一(yi)來(lai)才(cai)能(neng)對(dui)電(dian)壓(ya)放(fang)大(da)級(ji)記(ji)憶(yi)線(xian)性(xing)化(hua)
，且(qie)可(ke)采(cai)用(yong)有(you)源(yuan)負(fu)載(zai)技(ji)術(shu)，以(yi)提(ti)高(gao)電(dian)壓(ya)增(zeng)益(yi)。例(li)如(ru)圖(tu)1-7（a、b、f）所示，若要進一步改進電壓放大級，其較有成效的途徑是致力於改善其特性曲線的非線性。

 

功率輸出級

 

zhongsuozhouzhi
，juedingshuchujishizhendezuijibenyinsujiushigongzuoleibie。youyujialeigongzuozhuangtaibuhuichanshengjiaoyueshizhenhekaiguanshizhen，yinerchengweilixiangdemoshi。raner
，qichanshengdedaxinhaoshizhenrengweinengxiaodaokeyihulvedechengdu。duijiayileieryan，ruguoshuchugonglvchaochujialeigongzuosuonengchengshoudedianping，zezongxieboshizhenkendinghuizengda。yinweizheshidepianzhikongzhishichaoqiande
，qihudaobeizengxiaoying（即位於甲類工作區，兩管同事導通所導致的電壓增益增大現象）duishizhencanliuwuchanshengyingxiangerchuxianlexuduogaocixiebo。zhegeshishisihuhaixianweirenzhi，kongpashiyouyuzaidaduoshufangdaqizhongzhezhonghudaobeizengshizhendedianpingxiangduidoubijiaoxiao，bingbeiqitaiheshizhensuowanquanyanmeiledeyuangu。duiyujiayileieryan
，tongguoduitayujiayileishizhencanliuwupinpufenxikezhi，chubukebimiandeshuchujishizhenwai，suoyoudefeixianxingdouyiyouxiaodijiayipaichu，qiezaiqicixiebofudushang，zuijiayileizhuangtaiyaobijiayileidi10Db。實際上
，奇次諧波普遍認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。

 

由此看來，關於輸出級工作狀態的選擇，似乎隻能在甲鐳和乙類二者中選取。但是，如果從效率、大信號失真、溫升及其它失真等方麵綜合加以考慮的話，乙類的各項性能指標是壓倒其它類別的，因此輸出級選擇乙類工作狀態得到廣泛應用。

 

輸出級的類型約有20餘種，例如射極跟隨器式輸出級
、互補反饋對管式輸出級
、準互補式輸出級、三重式輸出級

、功率FET式輸出級等，還有誤差校正型輸出級、電流傾注行輸出級及布洛姆利（Blomley）型輸出級等。

 

現僅介紹幾鍾如下：

 

輸出級的類型

 

射極跟隨器式輸出級（達林頓結構）

 

圖1-8是最常見的3種射極跟隨器式輸出級，他們是雙重射極跟隨器結構，其中第一個跟隨器是第2個跟隨器（輸出管）的驅動器。這裏所以不稱為答林頓結構
，因為達林頓結構暗含著它可以是包括了驅動管、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

 

三種類型電路中，（a）為盛行的一種
，其特征是把驅動管的射極電阻連接到輸出電路上去。而（b）類型兩驅動官所公有的射極電阻Rd不在接到輸出電路上，可以在輸出管正處於關斷時讓驅動管對其發射結加以反偏置。（c）類型是通過把兩驅動管射極電阻分別接到側供電電路上（而不是接到輸出電路上）來維持驅動管工作於甲類狀態的一種結構。其突出的特點是在對輸出管基極進行反偏置這一點上，表現的與（b）類型同等良好，高頻事會關端得更為幹脆。

 

事shi實shi上shang，上shang述shu三san種zhong類lei型xing輸shu出chu級ji的de共gong同tong特te點dian都dou是shi在zai輸shu入ru端duan與yu負fu載zai之zhi間jian串chuan接jie了le兩liang個ge發fa射she結jie。另ling一yi個ge特te點dian就jiu是shi增zeng益yi降jiang落luo產chan生sheng在zai大da輸shu出chu電dian壓ya與yu重zhong負fu載zai的de場chang合he。

 

射極跟隨器式輸出級的特點是輸入是通過串聯的兩個發射結傳遞給輸出端，且這一級末加局部負反饋。另一個特點是在扁壓與射極電阻Re之間存在兩個不同的發射結
，所傳輸的電流不同，且結溫也不同。

 

1.互補反饋對管式輸出級

 

互補反饋對管式輸出級也稱為西克對管（SzikLai-Pair）式輸出級，見圖1-9。其特點是，驅動管是按照有利於對輸出電壓與輸入電壓加以比較的需求來設置的
，他可以給出更好的線性以及叫好的熱穩定性。

 

由博裏葉分析可知
，互補反饋對管式輸出級產生的大信號非線性比射極跟隨器的要小，同時
，交越區的寬度也窄的多，約為±0.3V。

 

2.準互補式輸出級

 

圖1-10（a）示出了標準型準互補電路，（b）為巴克森德爾（Baxandall）準(zhun)互(hu)補(bu)電(dian)路(lu)。標(biao)準(zhun)型(xing)準(zhun)互(hu)補(bu)電(dian)路(lu)在(zai)交(jiao)越(yue)區(qu)附(fu)近(jin)的(de)對(dui)稱(cheng)性(xing)不(bu)佳(jia)，而(er)對(dui)稱(cheng)性(xing)得(de)到(dao)較(jiao)大(da)的(de)改(gai)善(shan)的(de)是(shi)采(cai)用(yong)跋(ba)克(ke)森(sen)徳(徳)爾(er)二(er)極(ji)管(guan)的(de)巴(ba)克(ke)森(sen)徳(徳)爾(er)互(hu)補(bu)電(dian)路(lu)。它(ta)常(chang)用(yong)語(yu)放(fang)大(da)器(qi)的(de)閉(bi)環(huan)中(zhong)
，在(zai)其(qi)它(ta)時(shi)針(zhen)已(yi)大(da)大(da)地(di)排(pai)除(chu)之(zhi)後(hou)
，它(ta)能(neng)夠(gou)給(gei)出(chu)很(hen)好(hao)的(de)性(xing)能(neng)。例(li)如(ru)，當(dang)用(yong)於(yu)負(fu)反(fan)饋(kui)因(yin)數(shu)為(wei)34dB左右（30KHz）的放大器時
，在100W條件下，失真可很容易做到0.0015%（1KHz）與0.15%（10kHz）。

 

圖1-9 互補反饋對管式輸出級 圖1-10 準互補式輸出級

 

3.三重式輸出級

 

三重式輸出級的電路結構，是在輸出級的每一半電路部分使用3個晶體管二不是2隻，它可以有7種變形之多。該電路形式運用得正確，可有以下兩個好處：

 

a、對於大輸出電壓與電流所給出的線性較好；

 

b、由於能夠讓前驅動管來處理功率很小的信號，耳使其可一直保持很低的工作溫度，從而使靜態設定條件更加穩定。圖1-11示出了產品設計中所常用的3種重式輸出電路。

 

 

輸出級的時針可細分為大信號非現行失真
、交越失真和開關（關斷）失真3種。

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

 

a、LSN隨負載阻抗的減小而增大

 

在負載為8Ω的典型輸出級中
，其閉環LSN通常可忽略不計，但當負載阻抗為4Ω時，其相對較純的三次諧波會在THD殘留物中變得明顯起來。

 

b、LSN隨驅動管發射極活集電極電阻的減小而加重。

 

出現上述情況的原因是驅動管 擺幅變大，然而其好處是可見效關端失真，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（負載為8Ω時）與交越失真和關斷失真相比是很小的。這個論斷在4Ω負載時是不成立的，更不要說是2Ω負載了。如果設計重點不是放在使關斷失真最小化上，冊互補反饋對管式輸出級通常是最佳的選擇。

 

c、大Ic時的增益跌落可又簡單有效的前饋機製部分地加以抵消。

 

a.大信號非線性時針

b.輸出級的失真

 

4.交越失真

 

交jiao越yue時shi針zhen之zhi所suo以yi對dui乙yi類lei功gong放fang最zui為wei有you害hai
，是shi由you於yu它ta會hui產chan生sheng令ling人ren討tao厭yan的de高gao次ci諧xie波bo
，而er且qie其qi值zhi會hui隨sui信xin號hao電dian品pin的de下xia降jiang而er增zeng大da。事shi實shi上shang
，就jiu一yi太tai驅qu動dong8Ω負載放大器而言，其綜合線性是由交越失真來決定的，即使是在其輸出級設計的很好，並且加的偏壓也為最佳值時，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。實際上，射隨器式互補反饋對管式輸出級都具有與圖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將增加1.5倍。

 

圖1-12 THD+N隨輸出電平變化曲線（欠圖）

 

關於交越失真的情況
，英國有關部門文獻的報道如下：

 

實驗證明，就大多數指標而言，互補反饋對管式輸出級優於射極跟隨器式輸出級。有關實驗結果於表1-1、1-2、1-3中，其中表1-2
、1-3分別為互補反饋對管式輸出級及射極跟隨器輸出級和互補反饋對管輸出級的實驗結果。表中Vb為倍增偏置發生器在驅動級基極兩端建立的電壓
，工作於乙類放大狀態時，Vb=Vq~3Vq，Vq為在兩個發射極電阻Re兩端產生的靜態電壓，通常Vq=5~50mV，依所選的電路結構而定。靜態電流Iq為流過輸出器件的電流，其中不包括驅動級穩定電流。

 

 

為了改善交越失真，記住以下條件結論是很重要的：

 

a、 靜態電流本身無關緊要，而VQ卻是至關重要的參量
；

 

b、 一個能使VQ嚴(yan)格(ge)保(bao)持(chi)正(zheng)確(que)的(de)熱(re)補(bu)償(chang)方(fang)案(an)

，隻(zhi)需(xu)要(yao)知(zhi)道(dao)驅(qu)動(dong)管(guan)和(he)輸(shu)出(chu)管(guan)的(de)結(jie)溫(wen)。令(ling)人(ren)遺(yi)憾(han)的(de)是(shi)，這(zhe)些(xie)結(jie)溫(wen)實(shi)際(ji)上(shang)是(shi)不(bu)能(neng)準(zhun)確(que)測(ce)得(de)的(de)
，但(dan)至(zhi)少(shao)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)知(zhi)道(dao)目(mu)標(biao)是(shi)什(shen)麼(me)。

 

5.關斷失真

 

關斷失真取決於幾個可變因素，尤其是輸出器件的速度特性和輸出拓撲。關鍵的因素是輸出級能否使輸出其間b、e結反向偏置，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）射隨器輸出級電路是唯一能使輸出b
、e結反向偏置的普通電路。

 

第(di)二(er)個(ge)影(ying)響(xiang)因(yin)素(su)就(jiu)是(shi)驅(qu)動(dong)級(ji)發(fa)射(she)極(ji)或(huo)集(ji)電(dian)極(ji)的(de)電(dian)阻(zu)值(zhi)，該(gai)電(dian)阻(zu)愈(yu)小(xiao)，可(ke)除(chu)去(qu)已(yi)存(cun)儲(chu)電(dian)荷(he)的(de)速(su)度(du)就(jiu)越(yue)快(kuai)，應(ying)用(yong)這(zhe)些(xie)準(zhun)則(ze)可(ke)明(ming)顯(xian)減(jian)小(xiao)高(gao)頻(pin)失(shi)真(zhen)。

 

此外，圖1-8(b)所示的射隨器輸出電路的共用驅動級電阻Rd上並聯一個加速電容後，可以減小高頻時的THD失真。比如，在40Hz時
，可使THD減小1半，這說明輸出器件截止要"純淨"得多。當然在300Hz~8KHz範圍內也是會有同樣的好處。對於雙結型晶體管構成的輸出級而言，最佳輸出級的選擇如下：

 

（1） 第二種射極跟隨器式輸出級

 

這種輸出級在對付截止失真方麵是最好的
，但靜態電流穩定性可能有問題。

 

（2） 互補反饋對管式輸出級

 

zhezhongshuchujijuyoulianghaodejingtaidianliuwendingxinghehenxiaodedaxinhaofeixianxing，danzuidadetedianshiruguobulingjiagaoyadianyuan，jiubukenengtongguoshuchujijifanpianzhilaishijiankuaisujiezhi。

 

（3） 巴克森徳爾準互補式輸出

 

zhezhongshuchujizaixianxingfangmianyushejigensuiqishuchujichabuduo，danjuyoujieyueshuchuqijianchengbendeyoudian。ranerqijingtaidianliuwendingxingqueburuhubufankuiduiguanshishuchuji。

 

輸出級的選擇

 

放大器的電源

 

這裏簡單的舉幾例常用電源。

 

圖1-13是用與集成運放的電源實例，該電路可輸出約0.3A的電流
，是一個性能很好的並聯穩壓電源，各晶體三極管要加足夠大的散熱器。

 

 

圖1-13 采用TL431的穩壓電源並聯穩壓電源的原理是由限流電路提供一比負載電流更大的電流
，其一部分供給負載

，多餘的全部由調整管對地"短路"泄放掉，一保持輸出電壓的恒定。而串聯電源電路則是負載需要多少電流，電壓調整管則"放過"duoshaodianliu，yibaochishuchudianyahengding。binglianxingwenyadianluyuchuanlianxingwenyadianludequbiezhizaiyudianyatiaozhengguanyudianyuandelianjiefangshi。tamentongyangshiqizhewenyazuoyong
，dandianyuanneizudequbiedailaiyinzhidequbie。liangzhongdianluzaixiangtongdeshurudianya、相同的負載時，串聯型穩壓電路的內阻比並聯型的要大的多。比如，負載Rf所需電壓U1=30V
，電流If=50Ma，穩壓電路輸入電壓U0=40V，那麼在相同條件下，並聯型穩壓電路的內阻隻是串聯型的33%。而(er)電(dian)源(yuan)內(nei)阻(zu)低(di)則(ze)意(yi)味(wei)著(zhe)電(dian)源(yuan)有(you)交(jiao)稿(gao)的(de)能(neng)量(liang)傳(chuan)輸(shu)速(su)率(lv)，使(shi)負(fu)載(zai)所(suo)需(xu)需(xu)瞬(shun)間(jian)大(da)電(dian)流(liu)得(de)到(dao)及(ji)時(shi)供(gong)給(gei)，使(shi)放(fang)大(da)器(qi)接(jie)下(xia)來(lai)度(du)於(yu)力(li)度(du)得(de)到(dao)相(xiang)當(dang)的(de)改(gai)善(shan)和(he)提(ti)高(gao)。並(bing)聯(lian)型(xing)穩(wen)壓(ya)電(dian)路(lu)有(you)功(gong)耗(hao)大(da)的(de)特(te)點(dian)，不(bu)過(guo)這(zhe)對(dui)於(yu)所(suo)需(xu)電(dian)流(liu)叫(jiao)囂(xiao)的(de)前(qian)級(ji)是(shi)不(bu)成(cheng)問(wen)題(ti)的(de)
，即(ji)使(shi)對(dui)於(yu)電(dian)流(liu)較(jiao)大(da)的(de)後(hou)級(ji)，為(wei)了(le)改(gai)善(shan)音(yin)質(zhi)也(ye)往(wang)往(wang)采(cai)用(yong)此(ci)種(zhong)穩(wen)壓(ya)電(dian)路(lu)。

 

場效應管是電壓驅動類型的器件

，有許多優良的特性，例如負溫度係數、抗二次擊穿頻率特性好、低噪聲等。用於電源調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的高反壓雙結晶體三極管了。

 

圖1-14示出了一再改進的使用電路，恒流電路采用耐壓較高的低噪聲三極管。

 

 

相關參考電路：

 

 

a. 采用場效應管的穩壓電源

b. 采用TL431的穩壓電源

 

 

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