專利名稱：一種低失真變壓器輸出的晶體管音頻功率放大電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低失真變壓器輸出的晶體管音頻功率放大電路，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，高保真(HiFi)音響功率放大電路包括電子管功率放大電路和晶體管功率放大電路兩大類。電子管功率放大電路如圖1所示，是以電子管作功率放大，在高電壓、小電流下工作，利用變壓器耦合將放大后的音頻信號輸給喇叭發(fā)聲；晶體管功率放大電路如圖2所示，是以晶體管作功率放大，在較低的電源供電下工作，電流較大，一般不用變壓器輸出，而是采用無變壓器耦合方式(OTL)或無電容耦合方式(OCL)將放大后的音頻電流直接輸給喇叭發(fā)聲。因此，在放音的音色上電子管功率放大電路和晶體管功率放大電路有較大差別，電子管功率放大電路具有甜美、圓潤的所謂“膽味”，聲場寬厚，有親臨現(xiàn)場感，對欣賞歌曲、民樂及戲劇內(nèi)容的節(jié)目十分適宜，因此，備受音響發(fā)燒友的追捧和許多愛好品味經(jīng)典音樂以及歌曲、民樂的人士的欣賞。而晶體管功率放大電路在這方面與電子管功率放大電路就有所欠缺，綜合對比，電子管功率放大電路更具有悠雅柔情、婉轉(zhuǎn)動聽有韻味的特點(diǎn)，而晶體管功率放大電路由于深度負(fù)反饋引入的瞬態(tài)失真則會使音樂帶來“冷、硬”感。電子管功率放大電路雖然具有柔順、甜美、圓潤的聲音特點(diǎn)，但與傳統(tǒng)的晶體管功率放大電路相比，它也存在一些明顯的缺點(diǎn)，它需要加熱燈絲，這不僅會增加耗電、而且，更重要的是它會影響電子管的壽命。一般電子管的壽命為幾千到幾萬小時(shí)，比起晶體管數(shù)十萬仍至數(shù)百萬小時(shí)的壽命短得多。另外，電子管的放大線性度也不及晶體管，會導(dǎo)致較大的失真，造成某種程度的音染。尤其是，若需選擇特性一致的差分對管制作效率較高和功率較大的乙類(或甲乙類)推挽功率放大電路時(shí)，就會遇到管子配對困難的問題，失真度就更高。還有，由于制作電子管的加工精度僅為毫米或亞毫米級，不如晶體管的加工精度達(dá)微米級那樣精密，因此，電子管的一致性和重復(fù)性不及晶體管，不利于工業(yè)化大生產(chǎn)。目前，晶體管產(chǎn)業(yè)化規(guī)模大、成本低，而電子管民用產(chǎn)品生產(chǎn)萎縮，好的電子管較難賣到或價(jià)格昂貴， 不利于電子管功率放大電路的發(fā)展。電子管功率放大電路啟動時(shí)需要預(yù)熱一段時(shí)間，一般約需幾十分鐘才能進(jìn)入穩(wěn)定的最佳工作狀態(tài)，不能即開即欣賞最佳音質(zhì)的音樂播放，也是缺點(diǎn)之一。此外，電子管內(nèi)阻大，致使管壓降大，效率較低。而在變壓器作負(fù)載的情況下，作為放大用的功率晶體管的耐壓就是一個(gè)大問題。 因?yàn)橐话阍谧儔浩髯髫?fù)載的情況下，晶體管的耐壓至少要取電源電壓的兩倍以上為妥，否則晶體管容易因高壓擊穿而損壞，這是晶體管功率放大電路的致命缺陷。由于材料特性所限，相比電子管，晶體管其耐壓特性差，加之揚(yáng)聲器阻抗低，因此， 一般晶體管功率放大電路均采用在低電壓、大電流條件下工作。又由于為了獲得高的增益， 一般采用增益最高的共發(fā)射極的組態(tài)，如圖3所示。而此組態(tài)電路輸出端的擊穿電壓BVceo 是隨放大系數(shù)的增加減小的。放大系數(shù)越高，該擊穿電壓越低。目前在傳統(tǒng)技術(shù)中還沒有出現(xiàn)用晶體管取代電子管在300多伏以上高壓供電下采用變壓器耦合輸出的HiFi音頻功率放大電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服上述技術(shù)問題的，以晶體管取代電子管既使其保持柔順、甜美、圓潤的聲音韻味又具有晶體管的長壽命、高線性和一致性優(yōu)點(diǎn)的低失真變壓器輸出的晶體管音頻功率放大電路。本發(fā)明由低壓放大的差分放大部分和高壓放大的共基極放大部分組成。所述低壓放大的差分放大部分由偏置電阻、共發(fā)射極連接的差分對晶體管、恒流源組成，所述恒流源包括晶體管和偏置電阻，所述低壓放大的差分放大部分的作用是對輸入的小信號進(jìn)行電流放大；所述高壓放大的共基極放大部分由輸出變壓器、共基極連接的差分對晶體管組成，所述高壓放大的共基極或共柵極放大部分的作用是對經(jīng)過低壓電流放大了的電流進(jìn)行電壓放大，并通過輸出變壓器的次級輸出。所述低壓放大的差分放大部分的差分對晶體管能夠由差分集成電路來代替。本發(fā)明所述一種低失真變壓器輸出的晶體管音頻功率放大電路中的晶體管能夠由場效應(yīng)晶體管來代替，場效應(yīng)晶體管的源極、漏極和柵極分別對應(yīng)晶體管的發(fā)射極、集電極和基極。本發(fā)明采用共基極組態(tài)的晶體管放大電路可以提高輸出晶體管的耐壓特性，使與輸出變壓器初級連接的晶體管可以工作在300-500V的高壓下，與電子管功率放大器(俗稱膽機(jī))的高壓工作條件相似。這種共基極組態(tài)電路的采用不僅可解決高壓下帶變壓器感性負(fù)載作放大的耐壓問題，也可獲得比電子管功率放大電路更小的失真特性。由于沒有大環(huán)路深度負(fù)反饋，故瞬態(tài)特性也可得到改善。以雙極晶體管共基極放大為例，可以通過以下晶體管的共基極放大系數(shù)α與共發(fā)射極放大系數(shù)β的關(guān)系式看出本發(fā)明所述之電路有更小的失真特性α = β/(1+β) 或β = α/(1-α)0假設(shè)晶體管在它的I-V特性曲線的某一區(qū)域其β = 50，則對應(yīng)的 α 1 = 0. 98039。若在另一區(qū)域的β 2 = 60，則α 2 = 0. 98361。如果晶體管在共發(fā)射極放大時(shí)，信號由β =50的區(qū)域變化到β =60)的區(qū)域，則β的變化率為60-50/50 = 20%， 但若采用共基極放大，它的共基極電流放大系數(shù)α僅變化為(0.98361-0.98039)/0.98039 =0. 3觀％。這就是說，在上述情況下，共基極放大時(shí)所引入的失真遠(yuǎn)小于共發(fā)射極放大引入的失真。如果選取晶體管工作在β變化比50-60更小的線性區(qū)間，則它引入的失真會更小。會大大小于傳統(tǒng)的電子管功率放大器的失真度(0.5-10%)的指標(biāo)。此外，根據(jù)雙極晶體管擊穿電壓的公式BVceo = BVcbo/β α氣其中η為大于1的系數(shù)，β —般可大于10，由雙極晶體管擊穿電壓的公式可見共基極放大時(shí)輸出端集電極與基極之間的反向擊穿電壓BVcbo比共發(fā)射極放大時(shí)輸出端集電極與發(fā)射極的反向擊穿電壓BVceo高。這一特性有利于晶體管在高電壓下工作和驅(qū)動變壓器這樣的電感負(fù)載，從而可以取代電子管，在幾百伏的高壓下進(jìn)行音頻功率放大。本發(fā)明用晶體管取代了電子管作為功率放大管，克服了電子管壽命短、失真大等缺點(diǎn)，由于不用加熱燈絲，減少了功率消耗和發(fā)熱；也大大增加了功率放大電路的使用壽命。這種功率放大器具有線性度好、失真度小、音質(zhì)好、聲音甜美圓潤、壽命長、一致性好、省電和適合大規(guī)模重復(fù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，由于晶體管的工作電流比電子管大，有利于制作更大功率的放大器；無需電子管的預(yù)熱時(shí)間，開機(jī)即可享受甜美動聽的音樂；采用差分放大使流過變壓器的兩組初級線圈的直流電流方向相反，克服了變壓器磁飽和引起的音質(zhì)劣化的缺點(diǎn)，低壓功率放大電路采用具有恒流源的差分放大可以限制各晶體管的最大電流，避免晶體管過熱燒毀；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，功能多樣，維修維護(hù)方便，且大大降低了成本，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。


圖1是傳統(tǒng)的電子管功率放大電路圖；圖2是傳統(tǒng)的晶體管功率放大電路圖；圖3是傳統(tǒng)的帶變壓器負(fù)載的晶體管放大電路圖；圖4是本發(fā)明所述一種低失真變壓器輸出的晶體管音頻功率放大電路的電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖4所示，本發(fā)明由低壓放大的差分放大部分和高壓放大的共基極放大部分組成。所述低壓放大的差分放大部分包括左上偏置電阻1、左中偏置電阻2、左下偏置電阻3、由中左晶體管4和中右晶體管5組成的共發(fā)射極連接的差分對晶體管、右上偏置電阻9、右中偏置電阻8、右下偏置電阻10與恒流源， 所述恒流源包括下晶體管6和下偏置電阻7。所述高壓放大的共基極放大部分包括輸出變壓器13、由上左晶體管11、上右晶體管12組成的共基極連接的差分對晶體管。所述低壓放大的差分放大部分的差分對晶體管中左晶體管4和中右晶體管5能夠由差分集成電路來代替。所述低壓放大的差分放大部分對經(jīng)過低壓電流放大了的電流進(jìn)行電壓放大，并通過輸出變壓器13的次級輸出；VB為下晶體管6的基極電壓，Vcc為高壓直流電源的正端，它的負(fù)端接地。Vee為低壓直流電源的負(fù)端，它的正端接地。上左晶體管11、上右晶體管12是能夠在高電壓下工作的差分對晶體管。音頻信號由輸入端IN輸入，由輸出端OUT輸出至揚(yáng)聲器。本發(fā)明的工作原理如是前級輸入的音頻信號通過耦合電容或變壓器耦合或直接耦合至差分放大器，在低壓下進(jìn)行電流放大。放大后的電流信號輸入到上左晶體管11和上右晶體管12的發(fā)射極(或場效應(yīng)晶體管的源極)再進(jìn)行電壓放大。然后通過輸出變壓器 13將放大了功率的音頻信號輸出到揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。上左晶體管11和上右晶體管12上的飽和壓降僅為2V左右，比電子管陽極50V-80V的飽和壓降小很多。這說明在同樣的高電壓供電情況下，本發(fā)明具有更大的動態(tài)范圍且在大功率信號的情況下產(chǎn)生在晶體管上的功耗更小，效率更高。由于上左晶體管11和上右晶體管12是雙極晶體管共基極放大或場效應(yīng)晶體管共柵極放大，因此它具有更小的失真和更高的耐壓。若欲獲得更大的增益，只要在本發(fā)明的基礎(chǔ)上在低壓回路中再加入一級差分功率放大電路或常規(guī)的單晶體管放大電路即可。若欲獲得更大的功率輸出，則可將幾個(gè)晶體管并聯(lián)替代上左晶體管11和上右晶體管12來加大功率，只要在每個(gè)晶體管的發(fā)射極串一個(gè)電阻，就可使各管上的功率分配大致相等。對于場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的共源極放大也能夠采用這種方法，由于其只進(jìn)行電壓放大，所以引入的失真極小。
本發(fā)明的低壓放大的差分放大部分不僅可采用單端輸入，也能夠采用平衡式輸入，這只需將正、負(fù)兩路待放大的音頻信號分別接至差分對晶體管的中左晶體管4和中右晶體管5的輸入端即可；此外，它不僅可做推挽放大，也可實(shí)現(xiàn)單端放大，在實(shí)現(xiàn)單端放大時(shí)，只需保留上左晶體管11或上右晶體管12中的一個(gè)，將低壓放大的差分放大部分中的與去掉的上左晶體管11或上右晶體管12對應(yīng)的中左晶體管4或中右晶體管5的輸出端改為接地，再將未去掉的上左晶體管11或上右晶體管12所接的輸出變壓器改用單端輸出變壓器即可。所述中左晶體管4、中右晶體管5、上左晶體管11、上右晶體管12、下晶體管6能夠部分或全部由場效應(yīng)晶體管來代替，所述場效應(yīng)晶體管的源極、漏極和柵極分別對應(yīng)晶體管的發(fā)射極、集電極和基極。本發(fā)明在實(shí)際測試中測得最小失真度達(dá)到0. 左右，比傳統(tǒng)的電子管功率放大器(一般失真度為0.5-10%)的失真度有明顯的降低。聲音效果的改善非常明顯，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的范圍內(nèi)，能夠輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種低失真變壓器輸出的晶體管音頻功率放大電路，其特征在于，包括由低壓放大的差分放大部分和高壓放大的共基極放大部分，所述低壓放大的差分放大部分包括左上偏置電阻(1)、左中偏置電阻O)、左下偏置電阻(3)、由中左晶體管(4)和中右晶體管(5) 組成的共發(fā)射極連接的差分對晶體管、右上偏置電阻(9)、右中偏置電阻(8)、右下偏置電阻(10)與恒流源，所述恒流源包括下晶體管(6)和下偏置電阻(7)，所述高壓放大的共基極放大部分包括輸出變壓器(13)、由上左晶體管(11)、上右晶體管(1 組成的共基極連接的差分對晶體管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低失真變壓器輸出的晶體管音頻功率放大電路，其特征在于，所述低壓放大的差分放大部分的差分對晶體管中左晶體管(4)和中右晶體管(5)能夠由差分集成電路來代替。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低失真變壓器輸出的晶體管音頻功率放大電路，其特征在于，所述中左晶體管G)、中右晶體管(5)、上左晶體管(11)、上右晶體管(12)、下晶體管 (6)能夠部分或全部由場效應(yīng)晶體管來代替所述場效應(yīng)晶體管的源極、漏極和柵極分別對應(yīng)晶體管的發(fā)射極、集電極和基極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低失真變壓器輸出的晶體管音頻功率放大電路，其特征在于，所述的低壓放大的差分放大部分不僅可采用單端輸入，也能夠采用平衡式輸入，這只需將正、負(fù)兩路待放大的音頻信號分別接至差分對晶體管的中左晶體管(4)和中右晶體管 (5)的輸入端即可；在實(shí)現(xiàn)單端放大時(shí)，只需保留上左晶體管(11)或上右晶體管(12)中的一個(gè)，將低壓放大的差分放大部分中的與去掉的上左晶體管(11)或上右晶體管(1 對應(yīng)的中左晶體管(4)或中右晶體管(5)的輸出端改為接地，再將未去掉的上左晶體管(11)或上右晶體管(1 所接的輸出變壓器改用單端輸出變壓器即可。
全文摘要
本發(fā)明公開一種低失真變壓器輸出的晶體管音頻功率放大電路，由低壓放大的差分放大部分和高壓放大的共基極放大部分組成；所述低壓放大的差分放大部分由偏置電阻、共發(fā)射極連接的差分對晶體管、恒流源組成，所述高壓放大的共基極放大部分由輸出變壓器、共基極連接的差分對晶體管組成，本發(fā)明用晶體管取代了電子管作為功率放大管，克服了電子管壽命短、失真大等缺點(diǎn)，采用差分放大使流過變壓器的兩組初級線圈的直流電流方向相反，克服了變壓器磁飽和引起的音質(zhì)劣化的缺點(diǎn)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，功能多樣，維修維護(hù)方便，且大大降低了成本，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
文檔編號H03F3/21GK102394578SQ20111032061
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者劉志明, 劉訓(xùn)春 申請人:劉訓(xùn)春