| 快速音频功率放大器 |
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2001-03-15 09:13
转自：
电子报
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此放大器在4Ω负载时输出功率大于90W，在频率为20Hz－20kHz，输出为10W时，总谐波失真THD<0？03％。转换速率则大于50V/μs。
我们对音频功率放大器的许多质量指标(如带宽、输出功率、总谐波失真等)都有严格的要求，但是，放大器速度对音质的显著影响却至今仍未得到应有的重视。实际上，取决于最大输出功率，放大器的转换速率(slew rate)必须大于4V/μs，才能避免动态失真。不过，通常允许用负反馈电路去纠正较小的动态失真，这时，转换速率就必须远大于4V/μs。
由于在通带内每个级联(cascade)的非线性，引入负反馈会产生新的高次谐波。正是由于会产生新的谐波，反过来又限制了可以引入的负反馈量。这种制约关系就意味着，在增加负反馈量的同时，应减少放大级联电路中固有的非线性，还应改善其高频特性。
在设计下面给出的快速音频功率放大器时，我们已经注意到上述要求，力争做到：
？尽可能用最佳线性和最佳带宽的放大器级联电路。
？尽可能最快速。
？用正、负双电源，扩大输出动态范围。
？良好的过载特性。
？引入可脱开的高/低音均衡器，形成总负反馈电路(global negative－feedback circuit)。
？能方便地达到最佳的负反馈量。
？用普通元件。
本放大器可分为三个部分，即输入级、输出级及由均衡器构成的反馈支路(见图1)。
由FET场效应管构成的级联电路，特别是差动级联，具有最小的非线性。
由晶体管构成的放大电路都存在温升失真的问题。但这个问题好解决，只要将晶体管的集电极－发射极电压或场效应管的漏极－源极电压稳定不变即可。图2为此放大器电路图。
输入级
此放大器的输入级是一个差动共源－共基级联电路。使用匹配对管Tr4、Tr5。此输入级的特点是由Tr6构成有源负载，以实现差动到单端的转换。
由Tr6等构成的电路，对差动级联的右半边而言，同时又是一个恒流源，而对于由晶体管Tr8等构成的第二放大级联电路而言，则是一个电流镜。Tr8被接成共基电路，其集电极上含有一个有源负载Tr7。二极管D3、D4增加了Tr6的放大量。
与用运算放大器电路相比，这里用的由Tr1？Tr8等构成的由差动到单端的转换电路，其转换精度较低，但是，这种结构都使转换速度增加，因此，输入放大器的精度也就增加。
为了达到增加放大器精度的目标，输入差动级联电路含有共模信号负反馈电路。此反馈电路是由射极跟随器Tr1、恒流发生器Tr2，以及受Tr2经参考电压二极管D1控制的晶体管Tr4、Tr5共同构成的。这样，就改进了放大中速音频信号的线性，也即增加了放大器的精度(precision)。
稳定的FET对管的漏－源电压增加了在大信号条件下的放大精度。这对高音和低音分量的转移很有利。
两个输入级的增益约为100；它们自身含有的负反馈电路可使总反馈量减少。
输出级
为使输出晶体管的偏置稳定，这里在电路中采取了一些措施。电阻R15、R16使温度负反馈量降低，并消除了暂态过冲。所以能取得这种效果，是因为R15、R16的引入，能使输出晶体管Tr20－Tr23的偏置电流稳定在120mA。
由于是对称输出，此功率级所允许的动态范围几乎可达电源电压。这里含有三个放大级联电路。
由晶体管Tr10、Tr12构成的第一级电压放大器是一个级联电路。随后是一个电流放大器，与传统设计相比，本电路的线性更好。这里的晶体管Tr16用来改善Tr18的线性。实际上，这样的级联电路可用来放大电压和电流。
为了得到所必须的电流激励，输出级采用了器件并联，如Tr20和Tr22并联，Tr21和Tr23并联。这里允许扬声器负载有较大的电抗分量和简单的电流保护。
输出级有一定的负反馈。第一个级联电路由于有发射极电阻R33∥(R27＋0？5R28)的存在而具有电流负反馈。第二级级联电路因Tr18的集电极电流流经Tr16的发射极而具有负反馈作用。还由于电阻R44的接入而使负反馈作用更强。失真的输出信号由Tr18放大和反相，这样就构成了闭合的反馈电路。
本放大器在4Ω负载时的转换速率为50V/μs，且无过冲，即使将高音/低音均衡器接入反馈通道亦是如此。此电路还有一个优点是，输出级形成的非线性失真不会通过负反馈电路而扩散到其它级联电路。这种失真在源头就被抑制了。
整个输出级含有通过R36、R33∥(R27＋0？5R25)构成的总反馈回路，使此级的增益被设定为4？7。微调电阻R28将负反馈为两部分，一部分加于信号正半周，另一部分加于信号负半周，从而使谐波最小。
晶体管Tr14和二极管D12的共同作用使转接失真(Switching distortion)减小，输出级Tr20、Tr22被设置为电流发生器(Current generator)工作方式。
在此功率放大器的输出端未设置前置放大器，因而就需要增加此功放自身的电压增益。因而，本放大器的总负反馈量不能太大。
如需调整音质，可在放大器输入端或总负反馈电路内加一无源控制器。
本电路设计是同相的，高音/低音均衡器接入总反馈电路内。此功放电路实际上可以有任何大小的输入电阻，具体由R2确定。
制作
本设计所需元件在电路图中已标出，但有一些注意事项需作说明。
MOS匹配对管的IDSS应大于5mA。场效应管Tr6的IDSS则应大于12mA。
电路图中未特别标出的电阻额定功率均为0？125W。电阻R15、R16的允许误差为0？1％或更小。如果找不到这样精密的电阻，可以用二个范围在980－1020Ω(误差为1Ω)之内的电阻替代。但R15、R16的数值应相等。
电阻R44、R45，R52？R54为一段细铜线，直接焊在电路板上。考虑到所放大的乐音信号其波顶因数(Peak factor)均为3，以及这些电阻的散热问题，用细铜线是恰当的。当放大器发生故障时，这些细铜线电阻可起到保险丝作用。
如果需要用正弦波在满功率(full power)时测试此放大器，电阻R33？R36的允许功耗至少应加倍。电容器C1、C2、C4、C7均为陶瓷电容器，而C3为无极性电解电容。
在高音/低音均衡器中的电位器应为对数式。每个声道的放大器可以安装在120mm×65mm的印刷电路板上。电容器C11、C12必须尽可能靠近每个电路板上的输出器件。
在安装时必须注意，放大器输入电路和输出电路的回流线(return wire)必须分开。
在调试时，可去掉电阻R20、R24，使输入级和输出级分别供电。首先检查输入级。这时，R22和R23的左端引线应暂时接地。这样就允许检查输入级联电路。接着，将C3暂时短路。在点CP1和点“inNFB”之间接一200k电阻。现在，将R8的活动触点调至中心位置。
加±30V电源至输入电路。换调电阻R11，使电阻RNFB和R15、R16接点上的失调电压最小。再微调R8，使此失调电压更小，上、下两边更平衡。
检查输出级
电阻R20、R22？R24重新焊装到位，将电阻R18的活动触点调至顶端(电阻最大)，而将电阻R28的活动触点调至中心位置。在初次通电时，应使电源电流限制在150mA左右。
如果电路安装正确无误，元件工作正常，则输出电路的耗电为最小。微调R18，使输出级的偏置电流总共为120mA。调电阻R8，使整个放大器上、下平衡。
移去C3的短路线。
用失真仪检查输出信号的非线性失真。调R28，使失真最小。使输出信号的偶次谐波为最小是以牺牲上下增益平衡为代价的。
当输入为正弦波时，放大器的输出含该正弦波及其二次谐波。此谐波比例于信号振幅的平方及其所含的高次谐波。
如无失真仪，用一个低通滤波器和一个电流表按图3连接，也可用来指示最小非线性失真。
具体做法是在放大器输入端加一5至8kHz之间的信号，其电平为最大值的0？7，将图3所示电路接至输出端，调R28，使电表指示为最大。
经上述线性化后，此放大器可给出极佳的精度。如用图3电路，其THD可达0？036％，如用失真仪则可达0？03％。
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