CN101127508A - 面向电流的s类放大电路 - Google Patents

Abstract

面向电流的S类放大电路。从面向电流的角度出发，采用“虚拟负载”、“集电极反压激励”和“特殊反馈网络”技术，克服了传统A类、B类和AB类放大电路的种种弊端，可以实现电压放大，电流放大和功率输出的功能。失真小，速度快，带宽高，驱动力强，安全性高，不怕输出短路，不会烧毁负载。结构简单，利于小型化。

Description

面向电流的S类放大电路

一、技术领域

本发明涉及模拟电子领域的信号放大电路，尤其是对于失真、转换速率和频率响应要求极高的音频功率放大电路。

二、背景技术

1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁、布拉顿三人发明了晶体管。与电子管相比，晶体管有许多优点：体积小，重量轻，寿命长，耗能低，制造工艺简单，使用时不需预热。晶体管渐渐在大多数领域取代了电子管，但是仍然都无法完全取代电子管，特别是在Hi-Fi(High-Fidelity：高保真)音响领域和专业音频处理领域。晶体管制作的放大器虽然指标更高，却因为奇次协波失真太多，听感不佳。反而电子管音频放大器至今还依然拥有大量的发烧友。

实际上在晶体管发明以前，就已经确定了放大电路的基本思路，晶体管出现之后，虽然放大电路经历了很多的发展，有很多晶体管的放电电路出现，但是放大电路的根本思路仍然没有变化，依然沿用了电子管时代的的面向电压的放大思想、

说到底电子管是一个电压输入电流输出的电子器件，电子管的输出电流和输入电压成比例的线性关系。而晶体管则是电流输入电流输出的电子器件，输出电流和输入电压并不是线性的关系，而是呈对数关系。因此依然沿用电子管的电压输入电流输出的放大电路思想来设计晶体管功放，不可避免会引入很多非线性失真。因为输入信号是电压的关系，输入电压的某些取值范围会造成三极管闭合，而三极管重新打开过程的时延降低了整个放大电路的转换速率，并引入了新的开关失真。还因为采用电压负反馈，过慢的转换速率使得反馈电压滞后于输入电压而进一步加大了失真。电压输出的情况还会在遇到非线性的负载时会被负载的反电动势所干扰，引起动态失真。

自从晶体管出现以来，将近60年的时间里，人们一直沿用电子管的电压放大理论，没有真正成熟的适用于晶体管电路的放大思想出现。难怪晶体管在音频放大领域走的这么艰难，晶体管还远远没有发挥出它应有的水平。

目前现有标称电流放大的电路，有两种，一种是在传统放大电路的基础上修改部分电路为电流激励，但是整体还是以电压放大为核心，远远没有解决电压放大的种种问题。另一种是使用镜流源的引申出的具有放大比例的镜流电路，这种电路结构复杂，需要的元件数量多，设计和实现都很麻烦，因此很少被使用。

要设计真正面向电流的放大电路存在一些尚未解决的技术难题：

1.因为输入信号为电压，因此需要一个非常优秀的压变电流单元将输入电压信号转变为电流信号，而设计一个低失真高速的压变电流单元本身就是一个难题。

2.电流放大电路偏置电流也是一个设计上的难题。各放大级采用电流直接偶合的情况下，偏置电流每经过一级晶体管就会增加100倍左右，制作一个可用的放大电路的偏置电流往往会达到几A甚至几十A，远远超过正常可承受的范围。

3.目前的电流放大电路都只能放大电流，而无法同时放大电压，而功率输出要求的恰恰是电流和电压同时放大的结果。

三、发明内容

为了设计一种真正适用于晶体管的成熟的面向电流的放大思想，我克服曾经学过知识的桎梏，从最根本的三极管电流特性入手，本着简洁至上的精神，经过了近一年业余时间的设计和试验，设计出了一套面向电流的放大理论，并经过试验证明切实可行。

首先晶体管三极管是一个电流输入电流输出的器件，在物理模型上可以近似的看作一个放大比例为β的电流控制型电流源(CCCS)，简称流控电流源。我先以流控电流源说明我的放大电路的思想。

虚拟负载

背景技术中已经提到，目前电流放大未解决的输入的压流转换，偏置电流，和电压放大等问题。为了解决这些难题，我引入了自己独创的“虚拟负载”的概念。“虚拟负载”是一个纯电阻特性的器件(实际电路中采用没有电感的精密电阻)，使得输入信号完全加在虚拟负载上，由此产生的电流将被采样作为输入电流信号。经过采样的输入电流信号送入流控电流源中进行放大，经过流控电流源放大之后的大电流信号直接作为输出电流加在负载之上，由输出电流在负载上产生的压降来完成电压放大。见图1。最后的放大电路的电压放大倍数是公式一：

电压放大倍数＝负载电阻×电流放大倍数β÷虚拟负载电阻

这种电流输出方式适合负载为纯电阻，特别是负载理想中为纯电阻的情况。因为很多理想中为纯电阻的负载实际却有着电感存在，传统的电压输出的情况在放大电路驱动负载的时候会遇到负载自身电感产生的反电动势阻抗，降低输出功率，造成动态失真。而本发明的电流输出模式则可以完全解决这个问题，因为输出电路把负载当作一个纯电阻的虚拟负载来驱动，输出的不再是电压而是电流，负载上的任何反电动势无法对输出电流产生任何影响。

对于非纯电阻的负载，或者是要求输出结果为电压量的情况下，可以增加一个反馈电阻，从放大电路的输出连接至虚拟负载电阻的输入。通过引入输出电压量的反馈，实现电压输出的功能。见图2。这种情况下的电压放大倍是公式二：

电压放大倍数＝反馈电阻×输入电压÷虚拟负载电阻

注：此处的电压放大倍数取值范围为1到公式一的结果之间。当公式二的结果超出了公式一的放大倍数后输出状态则变回电流输出，放大倍数不再遵循公式二。

压流转换

理想状况下流控电流源的输入电流部分是没有压降的，但实际当中远非这样，因此在压流转换部分我采用了局部电压负反馈，反馈虚拟负载上的电压量来确保压流转换的绝对线性，并使用运算放大器来完成反馈运算，见图3。反馈的结果是虚拟负载上的电压等于输入的信号的电压，因为流入运放负极的电流可以近似看成0，因此流过流控电流源输入部分的电流等于虚拟负载上流过的电流，因此压流转换函数是：

采样电流＝虚拟负载上的电压÷虚拟负载电阻

        ＝输入电压÷虚拟负载电阻

压流转换部分既然采用了运算放大器完成负反馈，还可以利用运算放大器完成一部分的信号放大工作，见图4。在压流转换级引入放大运算之后的转换函数是：

采样电流＝虚拟负载上的电压÷虚拟负载电阻

        ＝输入电压×(反馈电阻÷对地电阻+1)÷虚拟负载电阻

流控电流源的晶体管实现

流控电流源是一个四端的元件，而晶体三极管只有三个管脚，一个晶体三极管不足以实现流控电流源的电流采样和电流放大两部分工作，因此电流采样部分和电流放大部分需要两个晶体三极管分别实现，见图5。流过虚拟电阻的电流近似等于电流采样关的集电极电流，电流采样管的集电极电流就是电流放大管的基极电流，放大管的集电极电流是电流放大管基极电流的β倍，因此放大管输出的集电极电流等于β倍的虚拟负载上流过的电流。

对于电压输出的情况，同样可以引入反馈电阻而改电流输出为电压输出，见图6。

不会关闭的集电极反压激励

上面提到的流控电流源的电流采样部分使用了类似共射放大的形式，只是取的输出量不同。但是这种电路依然有以往电压放大电路的种种弊端，输入电压在0～0.6付的范围内会引起三极管闭合，降低了放大电路的转换速度，还引入开关失真。

在这里，我根据晶体三极管在集电极反压偏置情况下仍然有电流的特性，独创了集电极反压激励电路，见图7。这里其实是利用了基极-集电极电压V_BC和集电极电流I_C的特性。V_BC-I_C特性非常有意思，我没有在任何厂家的晶体管手册中看到有讲过这个特性曲线，也从来没有任何电路中用到这个特性。恰恰我在试验当中发现这个特性奇特的地方，那就是当V_BC等于甚至小于0付的时候，仍然保持着集电极电流，并且一直可以到V_BC小于等于-0.9付(根据不同型号三极管略有不同)时集电极电流才会有大幅度的减少，但仍然会保持很小涓流。这是因为只要BE结保持畅通，发射极不断有电荷流到基极，那么就一定会在集电极聚集很多电荷，而这些电荷会成为高电势并形成电流。一但有电压信号过来，V_BC升高之前聚集起来的电荷立刻形成电流，因此这个电路的转换速率非常快。在电流采样三极管前边加入一级集电极反压激励，可以保证电流采样三极管处于高速导通的状态。

三极管放大倍数β值变化的问题

因为三极管的放大倍数随着集电极电流大小也有变化，因此在负载要求必须电流驱动的时候，为了保证绝对的线性放大电流输出，还可以采用在输出级反馈电流信号，来实现精确控制的电流输出，见图8。

完整的正半波放大电路

解决了上面的各个难题，我们就得到了完整的正半波放大电路如图9。

以上是以输入信号的正半周来讲述S类放大电路的思想和原理，要放大正负信号，可以采用平衡推挽的结构，晶体三极管和部分其他零件个数加倍。在正半周放大中一共使用了一个运算放大器，三个晶体三极管，和6个电阻即完成了正半波的放大电路。电路形式简洁，实际的元件数目非常少。

本发明的有益效果是

低失真，高电压转换速率，频率响应宽，支持直流放大。对负载的适应能力强，可以完成无反馈电流输出，电压反馈电压输出和电流反馈电流输出。结构简单利于小型化。本放大电路安全性很高，因为核心采用电流输出，当输出短路的时候电路仍然可以正常工作。采用集电极的输出部分，当因为温度过高BE结击穿时，只会造成没有输出信号，而不会有直流输出烧毁负载。

本发明开创了面向电流的晶体管放大电路的新方向。

四、附图说明

图1(虚拟负载概念，电流输出模式)：

图2(虚拟负载概念，电压输出模式)：

图3(压流转换反馈原理)：

图4(带放大的压流转换反馈原理)：

图5(流控电流源的晶体管实现)：

图6(流控电流源电压输出的晶体管实现)：

图7(集电极反压激励原理)：

图8(电流负反馈电流输出)：

图9(完整的正半波放大部分)：

五、具体实施方式

制作电路板焊接元件，接入经过整流滤波的直流电源，运算放大器使用15V供电，集电极反压激励可以也使用15V供电，输出三极管，根据实际输出的功率要求选择不同的供电电压，100W可以选择30V供电，200付可以选择40V供电，300V可以选择50V供电。接通电源之后从运放的正输入级输入信号，既可得到放大的信号输出。

Claims (3)

1.一种面向电流的放大电路，完成输入信号的功率放大、电压放大或电流放大。其特征是：采用面向电流的设计思想，引入虚拟负载的概念，通过输入信号在虚拟负载上形成的电流完成输入信号的采样，并将此采样电流放大后的电流直接加在负载上完成放大信号的输出。

2.根据权利要求1所述的放大电路，其特征是：在电压电流转换和电流采样电路中利用三极管的BC结电压和集电极电流的特性实现集电极反压输出来激励另一个三极管的基极，实现高速无关闭的压流转换电路。

3.根据权利要求1所述的放大电路，其特征是：在电压电流转换和电流采样电路中利用运算放大器以及取值于虚拟负载电压而非运放输出电压的特殊反馈网络来进行反馈运算，以实现精确的电压电流转换和电流采样。

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