CN202978831U - 一种乙类放大器集成电路 - Google Patents

Abstract

一种乙类放大器集成电路，其特征是：低电压，低功耗，直接耦合乙类放大器集成电路具有双通道三级前置放大器和一对输出三极管，且每个通道有一个输出三极管。在每一个通道中，有一个直流负反馈从最后一级前置三极管的集电极连接到第一级前置三极管的基极，以调节直流电流；有一个电阻交流负反馈从输出三极管的集电极连接到第一级前置三极管的集电极，以减小通过输出三极管的电流增益，从而，大大降低了通过输出三极管的电流，同时也降低了输出失真的概率。每个交流负反馈中的电阻是可变电阻，使得它本身的电压比电源电压高出0.6伏特以上。每个通道的共模抑制至少提供了三个前置放大器三极管中的两个。

Description

一种乙类放大器集成电路

技术领域：

本发明涉及一种乙类放大器集成电路，更确切地说，它涉及一种乙类放大器集成电路。闲置电流降到很小，在同样的情况下也降低了失真的情况。这种放大器适合应用于助听器。 

背景技术：

诸如在助听器中使用的乙类放大器通常具有一个三级直接耦合晶体管预放大器，其后连接晶体管输出级。在放大器中失真一直是一个问题，一个主要原因是，随着电流流过三极管使它的增益增加。因此，当放大器接收到一个适合的输入信号，将导致输出三极管的电流更加变大，从而增加输出三极管的增益。增加的电流使增益可能高达500。不幸的是，前置三极管的增益(被称为第三级前置放大三极管)减少的没有输出三极管增加得多(因为不同的电阻负载直接耦合到各种不同的放大三极管上)，将导致总增益随着电流的增加而增加。结果将输出失真的波形。传统的解决这个问题的方法是使输出三极管承载相对较高的闲置电流，这样输出三极管电流的变化量以及信号变化所导致的增益的变化会减少。 

对于实现低电压直接耦合放大器助听器还存在另一个困难是助听器接收器负载，它的阻抗随着频率的变化而变化。一般来说，助听器的阻抗随着频率的增加而增加。现有技术的乙类放大器输出三极管的增益的变化大多数都正比于负载阻抗，因此谐波信号将比基波得到更多的放大。这将产生更大的失真。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种乙类放大器集成电路，随着闲置电流或待机电流的减小，失真的现象也变小。为此，本发明提供了一种双通道放大器，每个通 道的输出三极管的集电极连接在一起，通过一个大阻值的纯电阻组成的反馈回路，连接到与之对应的第一级前置放大三极管的集电极。交流负反馈大大减小了失真现象，使得工作在待机状态下失真现象较小的闲置电流50微安远小于现有技术的许多乙类放大器的闲置电流500微安。每条交流反馈回路中与输出三极管的集电极相连接的电阻部分与电源电压是隔离的，从而允许输出三极管的集电极端的电压比电源电压高出0.6伏特。此外，共模抑制是由至少一对(最好两对)前置放大三级管的发射极连接在一起通过一个电阻接地所提供。 

本发明提出的乙类放大器集成电路具有两个相同的大幅放大通道，每个放大通道都是独立的，至少有一对前置放大三极管的发射极相连接在一起，通过电阻的端子接地以提供前置放大器的共模抑制，输出三极管的负载有一个中心抽头和一对负载终端，输出三极管具有相同的极，输出三极管的发射极连接在一起，其中一个输出三极管的集电极与其中一个负载终端相连接，另一个输出三极管的集电极与另一个负载终端相连接。 

进一步，每个前置放大器通道有三个前置放大增益三极管，包括第一级前置放大三极管，第二级前置放大三极管和第三级前置放大三极管，所有的前置放大三极管都为直接耦合三极管，第三级前置放大三极管即为直接耦合的输出三极管，直流负反馈环路从第三级前置放大三极管的集电极连接到第一级前置放大三极管的基极以调节直流电流输出三极管，第一级前置放大三极管的集电极与第一个电阻的一个端子相连接，第一个电阻的另一端与一个结点相连接连到第二个电阻的一端，第二个电阻的另一端与电源的端子相连接，第一个电阻的阻值远大于第二个电阻的阻值，一个大阻值纯电阻交流负反馈回路，以减少流过每个通道中输出三极管的电流增益，负反馈回路由一个反馈电阻本身和一对电阻端子构成，电阻的一个端子与输出三极管的集电极相连接，电阻的另一 个端子与一个结点相连接，反馈电阻的阻值远大于第二个电阻的阻值，反馈电阻本身与电池是独立的，所以反馈电阻可以调节其本身的电压以高于电池电压，补偿电路，包括一个电容与第一个前置放大三极管的基极相连接。 

进一步，第二对前置放大三极管的发射极连接在一起，通过电阻端子接地，为前置放大的第二阶段提供共模抑制。 

进一步，第三阶段的前置放大三极管的发射极连接在一起，通过第三个电阻接地；第二阶段的前置放大三极管的发射极连接在一起，通过第四个电阻接地；有一个电流源与第四个电阻并联耦合连接，该电流源的端子同时连接在一个三极管的集电极与发射极之间。 

进一步，第一阶段和第二阶段的前置放大三极管的发射极连接在一起，通过同一个电阻接地。 

衬底上反馈电阻是导电材料相同的材料制成，衬底本身是绝缘的。衬底盆区是由导电性质相反的材料组成的，盆区与电池不直接连接。 

反馈电阻紧邻着盆区的边缘。 

附图说明：

图1所示是本发明的具体表现。 

图2所示是本发明横断面绝缘基板上的交流反馈电阻与电池相隔离。 

图2A所示是本发明平面显示如图1中的一个变阻器。 

图3所示是本发明的第二种体现。 

图4所示是本发明的第三种体现。 

具体实施方式：

首先如图1所示，乙类放大器集成电路2有一个输入信号源4。信号源4通常是助听器的话筒与双端相连接。信号源4助听器话筒有一个单端输出信号， 相位分配器将麦克风信号转换成双端信号。 

乙类放大器集成电路2包括一个双通道前置放大器6，相同的通道8，10。每个通道的放大器单端输入的信号为输入电压的一半。从双通道前置放大器6得到的信号被输出级12进一步放大，然后通过变压器14被送到负载16。 

现在将详细描述前置放大器通道8和输出级12的一半。由于第二级前置放大通道10和输出级12的第二个一半被视为相同的第一部分，第二部分是指暂时用参考数字表示。 

前置放大器通道8分为三个阶段，有三极管Q1，Q2，Q3组成，都为NPN三极管。(前置放大级数通常都为奇数。)输入信号源4的一个端子通过电容C2连接到第一级三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极通过电阻R2接地。三极管Q1的集电极通过电阻R3和R4接到电池Vb的正极，同时与第二级三极管Q2的基极相连接。三极管Q2的集电极通过电容C3和电阻R12连接到三极管Q1的集电极，同时通过电阻7连接到电池Vb的正极，另外还与第三级三极管的基极相连接。三极管Q2的发射极通过一个并联电路接地，并联电路由电阻R5和三极管Q5组成。 

第三级三极管Q3的发射极通过电阻R6接地。三极管Q3的集电极通过点R8和R10连接到电池Vb的正极，同时也连接到三极管Q4的基极，形成输出级的一半部分。三极管Q4的发射极接地，它的集电极与变压器14的初级绕阻18的中心抽头的一端相连接。(该中心抽头与电池Vb的正极相连接。)变压器14的二级绕阻与负载16相连接。 

对于传统的乙类放大器，当输入前置放大器的输入电压不同时，(三极管Q1，Q1’的基极)，每个通道8，10的有效放大的单端信号之间的相位差为180度。被放大了的信号输入输出级12，即从三极管Q4，Q4’的基极输入。因为 输出三极管Q4，Q4’有开启和关闭两个状态，即当输出三极管Q4，Q4’中的一个关闭的时候，另一个将工作在输入信号的一半周期内，反之亦然。当输出三极管Q4，Q4’的集电极上出现半波信号时，结合变压器14上相位的差异，通过负载16重组完整的正弦波。它的一个重要的特点是乙类输出级能够提供高信号功率和非常低的闲置静态电流，这是助听器的一个重要应用。 

为了控制输出级三极管Q4，Q4’中的闲置电流，一个直流负反馈电路将三极管Q4，Q4’的电压稳定在一个常数。直流反馈电路由一个电阻连接到前置放大输出级返回到第一级前置放大三极管组成。该电阻从电阻R8，R10读卡器通过电阻R9和R1连接到三极管Q1的基极。通过该反馈电路的交流信号将被电容C1短路接地，否则交流信号将通过电阻R1被反馈到三极管Q1的基极。 

如前所述，现有技术的乙类放大器的一个主要的缺点是大信号输出存在失真现象。原因如下，当打开三极管Q4，电流通过三极管增加了直流闲置电流(可低至50微安)到一个峰值电流，可高达25毫安，即瞬间可增加500倍。因为三极管Q4的增益正比于通过它的电流，所以增益的系数也会增加高达500倍。 

三极管Q3的负载与三极管Q4，电阻R8和R10并联(电阻R9的阻值非常大，可以近似的被忽略不计)。三极管Q4的输入阻抗与通过它的电流成反比，与电流增加同一级数的减少，减少的系数大概为500。然而，因为电阻R8和R10的影响三极管Q3的负载减少的将不会达到500，反而会远小于它。具体地说，如果三极管Q4到三极管Q3的阻抗为RinQ4，三极管Q3上的负载为RL3。 

由于电阻R8和R10的影响，三极管Q3的负载，称为RL3，将不会与三极管Q4的输入阻抗RinQ4成正比。随着三极管Q4的输入阻抗的减小(因为通过三极管Q4的电流增加)，三极管Q3的负载也较小幅度的减小。由于三极管Q3的增益正比于三极管Q4的负载，但是三极管Q3增益增加的幅度并不与三极管 Q4增加的幅度一样大。因为大信号被放大远大于小信号，这就产生了失真。这就导致负载16上的波形失真。 

当负载由变压器14和电阻16组成时，失真将会变得更严重，取而代之的是一个典型的助听器输出传感器(接收器)。由于输出级三级管Q4，Q4’正比于负载阻抗，接收器的阻抗随频率的增加而增加，谐波产生的失真大于基波，因此，失真较为明显。 

现有技术的典型放大器试图采用增加闲置电流来解决这个问题。(减少输出三极管的电流。)输出三极管上的闲置电流为200微安或以上是常见的。当有比较大的闲置电流时，乙类助听器有多余十分之一的失真也是常见的。 

本发明采用了新颖的电路，允许在三极管的输出级减少闲置电流(通常输出三极管的为50微安)，以致失真现象要比现有技术的乙类放大器拥有200微安的闲置电流要小。实际上，根据发明，对于一个典型乙类放大助听器具有约百分之二的失真现象，那么在现有技术的乙类放大助听器中的闲置电流约为500微安。 

本发明的一个重要特征是，它提供了一个新的交流负反馈电路，其中每个输出三极管Q4，Q4’的集电极耦合在一起，分别通过电阻R11，R13和R11’，R13’与第一级三极管Q1，Q1’的集电极相连接。这使得放大器的线性增益由于非线性输出而减小失真。这一反馈电路使得放大器的增益与负载阻抗更加独立，从而大大减小了失真现象。如接收器使用的频率负载。当三极管Q2，Q3，Q4的开环增益乘以电阻R11/R4的比率的值远大于1的时候，组合电路的增益(前置放大器和输出级)将更加依赖于输出级电流。如描述的结尾表1所示，与电阻R11和R3相比，电阻R4的阻值很小。)如前所述，输出三极管中的50微安闲置电流将导致大约百分之二的失真，这是能够被接受的。 

交流反馈回路通过电阻R11，防止它影响到之前所述的直流反馈回路和第一级三极管Q1的输入阻抗，并没有与三极管Q1的基极相连接。在助听器放大器中三极管Q1的小输入阻抗是不可取的，因为它将减小增益，使得音调很难控制。另外，负反馈电路由电阻R11通过第一级前置放大级与三极管Q1’的基极相连接构成(这被称为交叉偶联)。如果传感器不能用作一个很好的变压器，交流反馈回路将很难被定义，将造成不可预知的电路增益，也可能增大失真。 

为了稳定放大器的两个反馈回路，利用电阻R12和电容C3作为补偿电路。这将引入一个端子和一个零地点，这大大的提高了放大器的稳定性。 

该放大器通常制作成以P型衬底(以三极管类型而定)的集成电路。在这种电路中，集成电阻通常作为P型扩散外延在N型区域的上面。外延区域通常有直流偏置电压，以防止扩散层扩散到衬底。然而，在本发明的电路中，由于变压器的影响，输出三极管Q4，Q4’集电极上的电压会低于正常工作的电压或在其附近浮动。当扩散层上的直流电压高于0.6伏特时，该扩散层电阻R11，R11’将起到二极管的作用，减少输出。为了防止这种情况，对于电阻R11，R11’有另外一种非常规接法。如图2所示，在P型衬底上形成的电路标明为30，被视为接地(传统的认为)，电阻R11是P型材料32在N型外延材料盆区34的上面。接触电阻R11标明为36，38。这将被认为盆区34向左移动，而没有接触。在这种方式下，当把接触电阻放在电池的上面或者下面时，由P型材料32形成的二极管和N型盆区34将减少输出。电阻的作用有时是独立的，如采用厚膜或薄膜沉积技术，或离散型外部电阻器。 

值得注意的是，虽然电阻R11，R11’的作用与电池电压，衬底30，还有其他的部件(它们都位于盆区34上)之间相互独立，其余的电阻如果需要将全部位于一个有偏置电池电压的基板上。如图2所示，一个基板50上包含一个电阻52 与54相接触。电阻52与图1除了电阻R11和R11’中的其余电阻都一样。图1中除了电阻R11和R11’的其余电阻都位于同一个基板50上。基板50上的偏置电压由电池提供。 

基板上的电阻偏置电压提供50与衬底30之间的反向偏压漏极电流，因此电流不需要电阻提供。如果漏极电流由基板上的电流提供的话，这将影响PNP三极管，造成过大的电流从电阻流到基板上。然而，电阻电压可以可能会高出电池电压0.6伏特以上(如电阻R11和R11’的作用)，三极管将肯定会产生不可预知的影响。因此，衬底上的电阻R11和R11’与电池相互独立，三极管不可预知的电流增益通过盆区34的作用将尽可能的小。如图2所示，盆区34的边缘靠近构成电阻R11的材料32。换句话说，盆区34和衬底30之间的空间距离尽可能的小。 

本发明的另一个功能是共模抑制。在助听器中共模抑制是特别重要的，因为典型的助听器电池的输出阻抗在二到十五欧姆之间。这将导致电池线性电压与被放大的电压一样大。电池线性电压通过常规的信号路径电路与前置放大器的集电极相连接，将导致不稳定或者失真。由于两个通道的线性电压相同，所以输出信号的相位偏差180度，重要的是，放大器可以区分信号的异同情况，相同信号的增益将远小于不同信号的增益。共模抑制或者CMR是衡量不同比例的增益。 

如图1所示电路中第三级放大级的共模抑制或者CMR是由电路三极管Q3，Q3’的集电极与结点40连接在一起，通过电阻R6接地所提供。有了这种连接，当三极管Q3，Q3’的基极上出现正向信号时，这将导致三极管很难工作，同时，它们的发射极可能会正偏。不好的结果是三极管Q3，Q3’上的基极和发射极之间的电压将不会改变(对于第一种类似情况)，因此共模信号将放大很小或者没 有放大。然而，当三极管Q3，Q3’基极上出现差模信号时，如三极管Q3的基极上出现正向偏置，三极管Q3’的基极上出现相应的反向偏置，那么结点40上的变化将很小(三极管Q3上发射极的正向变化将被三极管Q3’发射极上的反向变化所抑制)。因此，三极管基极与发射极之间的电压变化很大，将导致三极管Q3基极上的正向信号被放大。其结果是，共模信号被放大的远小于差模信号，即该阶段有共模信号。 

相比之下，因为电阻R2，R2’将减小共模信号的增益，同样的也会减小差模信号的增益，所以三极管Q3，Q3’没有CMR。 

第二级前置放大阶段，有三极管Q2和Q2’通过三机管Q5和电阻R5提供CMR。具体地说，三极管Q2和Q2’的发射极与结点42连接在一起，通过电阻R5接地。三极管Q5的集电极与发射极电路与电阻R5并联。三极管Q5相当于一个电源，它的基极通过二极管元三极管Q6相连接。三极管Q6的集电极通过电阻R13与电源Vb的正极相连接，电流通过三极管Q6流向三极管Q5。 

在理想情况下，电阻R5和三极管Q5通过结点42接地电路将提供优化的CMR(因为电流源是由三极管Q5构成的，理论上的阻抗为无限大)。然而，如果结点42只通过由三极管Q5构成的电源接地，则结点42的电压将不受约束，作为确定的电流源，可以是任何值。这将影响由第二级三极管Q2和Q2’所提供的直流增益，同时也影响由电阻R9和R1组成的直流反馈回路。然而，有限电阻从结点42接地需要限制三极管Q2，Q2’发射极上的电压，所以将电阻R5与三极管Q5并联。 

值得注意的是，当对这一阶段的CMR没有影响的情况下，小电阻可以***三极管Q3，Q3’发射极和结点40之间或者三极管Q2，Q2’发射极和结点42之间。 

其次参考图3，与图1很相似，在图3中，相应的参考文献已经在图1中标明。 

图3中的电路增益比图1中的增益要小得多，因此，图3中的三极管Q2，Q2’都为PNP型。因为三极管Q2和Q2’的发射极与集电极之间的电流为三极管Q3和Q3’基极上的有效电流，图3电路中的电路增益和电压需求都比图1中的小。图3电路中的共模增益由三极管Q3和Q3’的发射极连接在一起，通过电阻R14接地，同样地，三极管Q1和Q1’的发射极连接在一起，通过电阻R14接地所构成。 

如图3所示可知，电容C3和C3’需要大量的充电电流以跟踪信号。在某些情况下，三极管Q2集电极上的电流太小而没有足够的充电电流，导致失真。因此，用虚线表示，电阻R20，R20’通过三极管Q2，Q2’的集电极接地，从而增加了Q2，Q2’级上的电流。电阻R21连接在三极管Q2和Q2’的集电极之间，以增加补偿增益。因为电阻R20，R20’导致三极管Q2，Q2’集电极电流增加。 

此外，如果需要，可以利用额外的电阻R22，R22’，如图中用虚线表示，分别在三极管Q3，Q3’的集电极之间，三极管Q4，Q4’的基极之间，从而使三极管Q4进一步的线性工作(减少三极管Q4，Q4’输入阻抗的电流失真)。 

除了这些变化，图3所示的电路与图1所示的电路基本相同。 

其次参考图4所示电路，与图1也几乎相同，与图1中标明的部分参考数据相对应。图4所示电路与图1所示电路的区别在于图4电路中，没有三极管Q5和电阻R5，没有了第二级前置放大CMR。相反，第一级的CMR由三极管Q1，Q1’的发射极连接在一起通过R6接地所提供。此外，没有了补偿电阻R12。 

图1中一些器件的值如下面的表1所示： 

表1 

变压器14中心抽头的线圈比为1∶1 。

Claims (7)

1.一种乙类放大器集成电路，其特征是：具有两个相同的大幅放大通道，每个放大通道都是独立的，至少有一对前置放大三极管的发射极相连接在一起，通过电阻的端子接地以提供前置放大器的共模抑制，输出三极管的负载有一个中心抽头和一对负载终端，输出三极管具有相同的极，输出三极管的发射极连接在一起，其中一个输出三极管的集电极与其中一个负载终端相连接，另一个输出三极管的集电极与另一个负载终端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种乙类放大器集成电路，其特征是：每个前置放大器通道有三个前置放大增益三极管，包括第一级前置放大三极管，第二级前置放大三极管和第三级前置放大三极管，所有的前置放大三极管都为直接耦合三极管，第三级前置放大三极管即为直接耦合的输出三极管，直流负反馈环路从第三级前置放大三极管的集电极连接到第一级前置放大三极管的基极以调节直流电流输出三极管，第一级前置放大三极管的集电极与第一个电阻的一个端子相连接，第一个电阻的另一端与一个结点相连接连到第二个电阻的一端，第二个电阻的另一端与电源的端子相连接，第一个电阻的阻值远大于第二个电阻的阻值，一个大阻值纯电阻交流负反馈回路，以减少流过每个通道中输出三极管的电流增益，负反馈回路由一个反馈电阻本身和一对电阻端子构成，电阻的一个端子与输出三极管的集电极相连接，电阻的另一个端子与一个结点相连接，反馈电阻的阻值远大于第二个电阻的阻值，反馈电阻本身与电池是独立的，所以反馈电阻可以调节其本身的电压以高于电池电压，补偿电路，包括一个电容与第一个前置放大三极管的基极相连接。

3.根据权利要求1所述的一种乙类放大器集成电路，其特征是：第二对前置放大三极管的发射极连接在一起，通过电阻端子接地，为前置放大的第二阶段提供共模抑制。 

4.根据权利要求2所述的一种乙类放大器集成电路，其特征是：第三阶段的前置放大三极管的发射极连接在一起，通过第三个电阻接地；第二阶段的前置放大三极管的发射极连接在一起，通过第四个电阻接地；有一个电流源与第四个电阻并联耦合连接，该电流源的端子同时连接在一个三极管的集电极与发射极之间。

5.根据权利要求2所述的一种乙类放大器集成电路，其特征是：第一阶段和第二阶段的前置放大三极管的发射极连接在一起，通过同一个电阻接地。

6.根据权利要求2所述的一种乙类放大器集成电路，其特征是：衬底上反馈电阻是导电材料相同的材料制成，衬底本身是绝缘的，衬底盆区是由导电性质相反的材料组成的，盆区与电池不直接连接。

7.根据权利要求6所述的一种乙类放大器集成电路，其特征是：反馈电阻紧邻着盆区的边缘。 

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