專利名稱：多用途線性電路模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多用途線性電路模塊，用于電信號放大電路，特別是音頻電信號放大電 路，屬于電學(xué)領(lǐng)域的基本電子電路。
背景技術(shù)：
有源放大器件發(fā)現(xiàn)至今，還沒有出現(xiàn)線性器件，為了降低電信號放大器的非線性失真， 現(xiàn)階段應(yīng)用最多、最有效的手段是采用環(huán)路負反饋技術(shù)，但其只能改善失真，不能消除失真。 深度環(huán)路負反饋會引發(fā)嚴(yán)重的瞬態(tài)互調(diào)失真，這就是現(xiàn)代晶體管放大器聲音不耐聽的一個重 要原因，也是幾乎絕跡的電子管放大器又煥發(fā)生機的原因，從純技術(shù)的角度看是一種倒退。 要解決這個問題，就要取消環(huán)路負反饋，要取消環(huán)路負反饋，必須解決非線性失真的問題， 就只有從電路設(shè)計上入手， 一是使傳輸(放大)電信號與電路中元器件的參數(shù)無關(guān)，這是最 有效、最徹底的方法；二是采取對有源放大器件的非線性進行補償?shù)姆椒ǎ挚煞譃楫愋匝a 償和同性補償。電流鏡電路是同性補償?shù)牡湫痛恚彩悄壳拔ㄒ荒軓睦碚撋献C明其線性關(guān) 系的電流信號傳輸電路，但其應(yīng)用有限，只能用作電信號放大器的輔助電路。其它所謂的"線 性"電路大都是工程上的近似，并不是真正意義上的線性電路。

發(fā)明內(nèi)容
為了消除晶體管放大器的非線性失真，達到取消環(huán)路負反饋的目的，本發(fā)明公開了一種 多用途線性電路模塊。它與外圍輔助電路配合，可以實現(xiàn)電壓信號線性傳輸(電壓跟隨器)、 電壓信號——電流信號線性變換、電流信號線性傳輸。能用在從信號源至功率輸出的所有音 頻電信號放大電路，也可\用在其它需要精確傳輸(放大)電信號的設(shè)備。
本發(fā)明解決非線性失真問題所采用的技術(shù)方案是對于電壓信號的傳輸和電壓信號—— 電流信號的變換，利用了場效應(yīng)管互補推挽電路控制電壓——輸出電流的線性關(guān)系，屬于對 有源放大器件的非線性進行異性補償?shù)姆椒?；對于電流信號的傳輸，利用了場效?yīng)管無柵流 (完全可以忽略不計)的特點，使得傳輸電流信號與電路中元器件的參數(shù)無關(guān)。它由場效應(yīng) 管互補推挽電路及其偏置電路和恒u。s控制電路組成，圖1是本發(fā)明涉及的多用途線性電路模 塊的基本原理電路，其電路內(nèi)部連接關(guān)系是Q,、 Q2的柵極直接相連并與Ci、 G的一端相連共 同接模塊l腳；Ci的另一端與R3的一端和Q5的柵極相連，C2的另一端與R,的一端和Q6的柵極 相連；R3的另一端與K的一端和Qi的源極相連，R4的另一端與R2的一端和Q2的源極相連；R, 的另一端與Q3的柵極和Is.輸出端相連，R2的另一端與Q,的柵極和Is-的輸出端相連；Is+的輸入 端接模塊3腳，Is-的輸入端接模塊2腳；Q,的源極與Q2、 Q5的漏極相連，Q4的源極與Q。 Q6 的漏極相連；Q3的漏極接模塊5腳，Q,的漏極接模塊4腳；Q5、 Q6的源極直接相連接模塊6腳。
假設(shè)圖1電路模塊中上下對稱的元器件配對良好(參數(shù)相同)，則靜態(tài)時l腳、6腳電位 相同，以1腳電位為參考點分析其工作原理。電路模塊由Q5、 Q6構(gòu)成互補推挽電路，電流源 電流Is+和Is—分別流經(jīng)Q!和02建立對應(yīng)的柵源電壓u GS，再分別經(jīng)R3、 d和R4、 C2進一步濾波， 分別為Qs和Q6提供穩(wěn)定的靜態(tài)偏置電壓，建立靜態(tài)工作電流，如果將Q^ Q2和Qs、 Qe配對(不 做嚴(yán)格要求，可以調(diào)電流源電流Is來建立Qs、 96所需的靜態(tài)工作電流)使用，此時Qs、 Qe的
靜態(tài)工作電流就等于Qi、 Q2的靜態(tài)工作電流(Is)。 Is+和Is—分別流經(jīng)R,和R2上建立的電壓，再 分別和Q,、 Q2的ues串聯(lián)，分別為ft和Q4的柵極提供穩(wěn)定的靜態(tài)偏置電壓，從而使ft和Q4的 源極電位穩(wěn)定，也就穩(wěn)定了 Q2、 Qs和Q" Q6的漏極電位，并可隨1腳電位變化而同步變化， 由于Q2、 Qs和Qp Qe的柵極和源極電位也會隨1腳電位變化而同步變化，從而保證了 Q2、 Q5 禾口CK、 Q6的u。s恒定。由于Q,、 Q2的工作電流和u。s恒定，其ues非常穩(wěn)定，如果對Qs、 96偏置 電壓的穩(wěn)定不是有過高的要求，可取消R3、 R4電阻和C,、 02電容，Q5、 Q6的柵極分別和Q^ a 的源極直接相連。要進一步使Qs、 q6的"os恒定，Ri、 R2可用穩(wěn)壓二極管代替。對恒流源Is+和
Is-的基本要求是輸出內(nèi)阻大，只要滿足要求，可用任何元器件以任何方式構(gòu)成。 當(dāng)u。s恒定時，結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性
對于Q5、 Qe組成的互補推挽電路，假設(shè)Q5、 Qe參數(shù)相同(絕對值)，在G、 C2上建立的靜 態(tài)偏置電壓相同為V。，見圖2-1。
Qs為N溝道器件，Vp是負值，I脇為正值，"GS=-V。+AVgs， [l]式可寫成
.—TM_ -VG+A u gs 2
IdN—丄DSS 、丄 J
Vg-A u gs 、 2
-丄脇"一^J ..................[2]
q6為P溝道器件，Vp是正值，1。ss為負值，uGS=VG+AU(;s， [l]式可寫成 . VG+A u GS 2
l『-丄脇U ^ > ..................[3]
對于場效應(yīng)器件，其柵流完全可以忽略不計。根據(jù)基爾霍夫電流定律(KCL)有
is—iDN—iDP=0
is=iDN+iDP ..................[4]
將[2]、 [3]式代入[4]式得:
「 Vg-△、 m V必"cs 、 i「 n VG-A u gs Vg+Augs ，
-U(1- ~^~~) + (1 ^~~) ][ (1-~^^) - (1 - ~^^)]
=Idss[2— ~^T^]
t 「4 4Vg 1 a
=u i - f ]"
.令n [丄_且]
7 gM "SSLVp Vp2」
實質(zhì)上就是Qs、 Qe組成的互補推挽電路的互導(dǎo)(也稱跨導(dǎo))，Idss、 Vp、 Ve都是常數(shù)，因此 gw也為常數(shù)，上式可寫成
is=gMA u GS ..................[5]式表明了由結(jié)型場效應(yīng)管配對使用組成的互補推挽電路的控制電壓A"es——輸出電 流is成線性關(guān)系，圖2-2的轉(zhuǎn)移特性曲線圖更直觀的表述了這種線性關(guān)系。式雖然是對結(jié)型場效應(yīng)管互補推挽電路的證明，但對所有轉(zhuǎn)移特性為平方律關(guān)系的場 效應(yīng)管互補推挽電路都是成立的，因此，Q,、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 q6可用任何類型的場效應(yīng)管，且 多管并聯(lián)不改變其線性關(guān)系。
一般情況下取V^0.5Vp (具最大線性范圍)，此時，靜態(tài)工作電流iD。=0. 25Idss，電路設(shè)計 時應(yīng)取Is+=Is—=0. 25IDSS。圖1電路模塊能輸出的最大電流iSMAX=0. 75IDSS (要減去Gh、 q2的靜態(tài)工 作電流)，當(dāng)不能滿足要求時可多管并聯(lián)使用，或者使用中功率絕緣柵場效應(yīng)管，要在柵極串 入抑振電阻。目前，結(jié)型場效應(yīng)管的耐壓較低，當(dāng)電路模塊工作在高電壓場合(如功放電路) 時，可使用中功率絕緣柵場效應(yīng)管，當(dāng)輸出電流滿足要求時， 一般只將q3、 q4換成中功率絕緣 柵場效應(yīng)管。
圖1線性電路模塊對于外圍電路，1腳為電壓信號輸入端，也可接地；2腳接負電源；3
腳接正電源；4腳為負電流信號輸出端，也可接負電源；5腳為正電流信號輸出端，也可接正 電源；6腳為電壓信號輸出端或電流信號輸入端，也可接V/I變換電阻。
6腳輸出電流ifis， 5腳輸出電流"=(iDN+Is-)， 4腳輸出電流"=(iDP-Is+),同樣有關(guān)系
i6=i5+i4= &△ u KS,這就是本發(fā)明涉及的多用途線性電路模塊具有線性關(guān)系的原因。 本發(fā)明的有益效果是，對于電壓信號的傳輸和電壓信號一電流信號的變換，可以通過對場
效應(yīng)管的選配來消除非線性失真(重點對Q5和Qe進行精確配對，Q,和Q2及Q3和Q4配對不好只 會影響零位及靜態(tài)工作電流、電壓，不會造成電信號失真)；對于電流信號的傳輸，更是與電 路中元器件的參數(shù)無關(guān)，可以做到零失真?zhèn)鬏?。由它?gòu)建的電信號放大器，完全沒有必要再 施加環(huán)路負反饋，從而消除瞬態(tài)互調(diào)失真，對改善聽感有立竿見影的效果，同時為零失真電 信號放大器的制造指明了方向。


圖1是本發(fā)明所涉及的多用途線性電路模塊的基本原理電路圖。
圖2-1是電路模塊中互補推挽電路部分的電路圖。
圖2-2是互補推挽電路的轉(zhuǎn)移特性曲線圖。
圖3是本發(fā)明所涉及的多用途線性電路模塊的一個實施例。
圖4是電路模塊應(yīng)用在電壓信號線性傳輸時的連接圖。
圖5是電路模塊應(yīng)用在電壓信號-電流信號線性變換時的連接圖。
圖6是電路模塊應(yīng)用在電流信號線性傳輸時的連接圖。
特別說明一點，圖4、圖5、圖6應(yīng)用電路的外圍電路元器件編號與電路模塊內(nèi)部元器件
編號無關(guān)。
具體實施例方式
本發(fā)明所涉及的多用途線性電路模塊具有三種最基本的用途，具體實施可以依據(jù)對電路 性能的要求或做某單一用途而對電路元器件進行刪減、更換，組合成多種實施電路。
圖3是本發(fā)明所涉及的多用途線性電路模塊最具代表性的可以滿足三種用途且性能優(yōu)異 的一個實施例。由D,、 D2、 L、 T2、 R5、 R6、 R7構(gòu)成圖l (基本原理電路圖)中的Is+、 Is-電流源， 并將圖1中的Q:,、 Q4換成絕緣柵型場效應(yīng)管(在柵極回路串入R8、 R9抑振電阻)。
圖4是電路模塊應(yīng)用在電壓信號線性傳輸時的連接圖。l腳為電壓信號輸入端，6腳為電 壓信號輸出端，3、 5腳并聯(lián)接正電源+V。， 2、 4腳并聯(lián)接負電源-V。。 Ci為輸入隔直流電容，Ri 為輸入電阻，當(dāng)存在(信號源或前一級輸出端直流零位電壓很小時可取消C》輸入隔直流電 容Ci或輸入端不能確定直流零位時，Ri是必須的，以確定1腳、6腳的直流零位。C。是輸出隔 直流電容，Rl是免裁(可以是下一級電路的輸入電阻)。當(dāng)電路模塊中場效應(yīng)管Q^ Q2和Qs、 Qe配對良好，輸出端6腳直流零位電壓很小時，可取消C。輸出隔直流電容。
圖4應(yīng)用電路可用在一切需要進行阻抗變換的電路中，例如，信號源和前置放大器的輸 出電路，前置放大器和功率放大器的輸入緩沖電路等。
圖5是電路模塊應(yīng)用在電壓信號——電流信號線性變換時的連接圖。1腳為電壓信號輸入 端，6腳接變換電阻Rs， 3腳接正電源+V。， 2腳接負電源-Vn， 5腳接正電流鏡輸入端，4腳接 負電流鏡輸入端。Ci為輸入隔直流電容，Ri為輸入電阻，當(dāng)存在(信號源或前一級輸出端直流 零位電壓很小時可取消Ci)輸入隔直流電容Ci或輸入端不能確定直流零位時，Ri是必須的， 以確定1腳、6腳的直流零位。Rs是V/I變換電阻，決定變換后輸出電流i。的大小。
之所以是約等于，是由于電流鏡有很小的傳輸誤差，表現(xiàn)為電流增益的變化，不是非線
性失真，只有晶體管的e隨工作電流發(fā)生變化時才會引起非線性失真。因此電流鏡電路應(yīng)選 用那些e隨工作電流變化小(即e線性好)的晶體管，并至少要対Vbe、 e兩項參數(shù)進行配對。
Ti、 T3、 T5、 Ri、 R3構(gòu)成正電流鏡電路，T2、 T4、 T6、 R2、 &構(gòu)成負電流鏡電路，I^、 R2、 R3、 R4 為均衡電阻，可以降低由于晶體管配對不良引起的非線性失真。電流鏡電路有多種選擇，圖5 使用的是渥爾曼型，還可以選用更好的或更簡潔的。
圖6是電路模塊應(yīng)用在電流信號線性傳輸時的連接圖。1腳接地，6腳為電流信號輸入端， 3腳接正電源+V。， 2腳接負電源-VD， 5腳接正電流源輸出端和共柵極電路Qr源極(電流輸入端)， 4腳接負電流源輸出端和共柵極電路Q2源極(電流輸入端)，D" D2、 T,、 T2、 R,、 R2、 &構(gòu)成正 負電流源，為電路模塊和Gh、 Q2提供靜態(tài)工作電流。Q,、 Q2構(gòu)成共柵極互補推挽電路，R4、 R5 為抑振電阻，R6、 R7、 Rs對正負電源電壓分壓，在Rs和Re上產(chǎn)生的電壓分別經(jīng)d、 C2濾除紋波， 確定Qt、 q2的柵極電位(也就確定了源極電位)，從而確定了電路模塊內(nèi)Q3、 Q4和外圍輔助電 路中正負電流源及Qh q2的靜態(tài)工作電壓。利用前面對電路模塊分析得出的結(jié)論，根據(jù)基爾霍 夫電流定律(KCL)很容易得出i =ii,并與電路中元器件的參數(shù)無關(guān)，實現(xiàn)了真正的零失真 電流信號傳輸。如果在6腳與電壓信號之間串一個電阻，同樣可將電壓信號線性變換成電流 信號，不過由于電阻的取值較小(過大變換后的電流值太小)對信號源的驅(qū)動能力要求較高。
圖5、圖6分別是正相變換和正相傳輸?shù)膶嵗氆@得反相變換和反相傳輸，只需將圖 5、圖6中電路模塊4腳、5腳所接的外圍輔助電路互換即可，以便用于平衡傳輸及BTL放大 電路。
權(quán)利要求
1.一種多用途線性電路模塊，它由場效應(yīng)管互補推挽電路及其偏置電路和恒υDS控制電路構(gòu)成，其特征是Q1、Q2的柵極直接相連并與C1、C2的一端相連共同接模塊1腳；C1的另一端與R3的一端和Q5的柵極相連，C2的另一端與R4的一端和Q6的柵極相連；R3的另一端與R1的一端和Q1的源極相連，R4的另一端與R2的一端和Q2的源極相連；R1的另一端與Q3的柵極和IS+輸出端相連，R2的另一端與Q4的柵極和IS-的輸出端相連；IS+的輸入端接模塊3腳，IS-的輸入端接模塊2腳；Q3的源極與Q2、Q5的漏極相連，Q4的源極與Q1、Q6的漏極相連；Q3的漏極接模塊5腳，Q4的漏極接模塊4腳；Q5、Q6的源極直接相連接模塊6腳。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用途線性電路模塊，其特征是可取消d、 C2電容和R3、 R4電阻， Q5、 Qe的柵極分別與Q'、 Q2的源極直接相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用途線性電路模塊，其特征是Q,、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Qe可用任何類 型的場效應(yīng)管，并可多管并聯(lián)使用。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用途線性電路模塊，其特征是R。 R2可用穩(wěn)壓二極管代替。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用途線性電路模塊，其特征是恒流源Is+、 Is-可用任何元器件以 任何方式構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多用途線性電路模塊，屬于電學(xué)領(lǐng)域的基本電子電路。它利用了場效應(yīng)管互補推挽電路控制電壓—輸出電流的線性關(guān)系以及場效應(yīng)器件無柵流的特點，與外圍輔助電路配合，可以實現(xiàn)電壓信號線性傳輸、電壓信號—電流信號線性變換、電流信號線性傳輸，特別是電流信號傳輸，完全與電路中元器件參數(shù)無關(guān)，是真正的零失真?zhèn)鬏?。主要?yīng)用在音頻設(shè)備內(nèi)部放大電路，也可用在其它需要精確傳輸電信號的設(shè)備。由它構(gòu)建的電信號放大器，完全沒有必要再施加環(huán)路負反饋，從而消除放大器的瞬態(tài)互調(diào)失真，對改善聽感有立竿見影的效果，是模擬放大電路的最佳方案。
文檔編號H03F1/32GK101350595SQ20071013890
公開日2009年1月21日 申請日期2007年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者林 高 申請人:林 高