专利名称：多用途线性电路模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多用途线性电路模块，用于电信号放大电路，特别是音频电信号放大电 路，属于电学领域的基本电子电路。
背景技术：
有源放大器件发现至今，还没有出现线性器件，为了降低电信号放大器的非线性失真， 现阶段应用最多、最有效的手段是采用环路负反馈技术，但其只能改善失真，不能消除失真。 深度环路负反馈会引发严重的瞬态互调失真，这就是现代晶体管放大器声音不耐听的一个重 要原因，也是几乎绝迹的电子管放大器又焕发生机的原因，从纯技术的角度看是一种倒退。 要解决这个问题，就要取消环路负反馈，要取消环路负反馈，必须解决非线性失真的问题， 就只有从电路设计上入手， 一是使传输(放大)电信号与电路中元器件的参数无关，这是最 有效、最彻底的方法；二是采取对有源放大器件的非线性进行补偿的方法，又可分为异性补 偿和同性补偿。电流镜电路是同性补偿的典型代表，也是目前唯一能从理论上证明其线性关 系的电流信号传输电路，但其应用有限，只能用作电信号放大器的辅助电路。其它所谓的"线 性"电路大都是工程上的近似，并不是真正意义上的线性电路。
发明内容
为了消除晶体管放大器的非线性失真，达到取消环路负反馈的目的，本发明公开了一种 多用途线性电路模块。它与外围辅助电路配合，可以实现电压信号线性传输(电压跟随器)、 电压信号——电流信号线性变换、电流信号线性传输。能用在从信号源至功率输出的所有音 频电信号放大电路，也可\用在其它需要精确传输(放大)电信号的设备。
本发明解决非线性失真问题所采用的技术方案是对于电压信号的传输和电压信号—— 电流信号的变换，利用了场效应管互补推挽电路控制电压——输出电流的线性关系，属于对 有源放大器件的非线性进行异性补偿的方法；对于电流信号的传输，利用了场效应管无栅流 (完全可以忽略不计)的特点，使得传输电流信号与电路中元器件的参数无关。它由场效应 管互补推挽电路及其偏置电路和恒u。s控制电路组成，图1是本发明涉及的多用途线性电路模 块的基本原理电路，其电路内部连接关系是Q,、 Q2的栅极直接相连并与Ci、 G的一端相连共 同接模块l脚；Ci的另一端与R3的一端和Q5的栅极相连，C2的另一端与R,的一端和Q6的栅极 相连；R3的另一端与K的一端和Qi的源极相连，R4的另一端与R2的一端和Q2的源极相连；R, 的另一端与Q3的栅极和Is.输出端相连，R2的另一端与Q,的栅极和Is-的输出端相连；Is+的输入 端接模块3脚，Is-的输入端接模块2脚；Q,的源极与Q2、 Q5的漏极相连，Q4的源极与Q。 Q6 的漏极相连；Q3的漏极接模块5脚，Q,的漏极接模块4脚；Q5、 Q6的源极直接相连接模块6脚。
假设图1电路模块中上下对称的元器件配对良好(参数相同)，则静态时l脚、6脚电位 相同，以1脚电位为参考点分析其工作原理。电路模块由Q5、 Q6构成互补推挽电路，电流源 电流Is+和Is—分别流经Q!和02建立对应的栅源电压u GS，再分别经R3、 d和R4、 C2进一步滤波， 分别为Qs和Q6提供稳定的静态偏置电压，建立静态工作电流，如果将Q^ Q2和Qs、 Qe配对(不 做严格要求，可以调电流源电流Is来建立Qs、 96所需的静态工作电流)使用，此时Qs、 Qe的
静态工作电流就等于Qi、 Q2的静态工作电流(Is)。 Is+和Is—分别流经R,和R2上建立的电压，再 分别和Q,、 Q2的ues串联，分别为ft和Q4的栅极提供稳定的静态偏置电压，从而使ft和Q4的 源极电位稳定，也就稳定了 Q2、 Qs和Q" Q6的漏极电位，并可随1脚电位变化而同步变化， 由于Q2、 Qs和Qp Qe的栅极和源极电位也会随1脚电位变化而同步变化，从而保证了 Q2、 Q5 禾口CK、 Q6的u。s恒定。由于Q,、 Q2的工作电流和u。s恒定，其ues非常稳定，如果对Qs、 96偏置 电压的稳定不是有过高的要求，可取消R3、 R4电阻和C,、 02电容，Q5、 Q6的栅极分别和Q^ a 的源极直接相连。要进一步使Qs、 q6的"os恒定，Ri、 R2可用稳压二极管代替。对恒流源Is+和
Is-的基本要求是输出内阻大，只要满足要求，可用任何元器件以任何方式构成。 当u。s恒定时，结型场效应管的转移特性
对于Q5、 Qe组成的互补推挽电路，假设Q5、 Qe参数相同(绝对值)，在G、 C2上建立的静 态偏置电压相同为V。，见图2-1。
Qs为N沟道器件，Vp是负值，I脇为正值，"GS=-V。+AVgs， [l]式可写成
.—TM_ -VG+A u gs 2
IdN—丄DSS 、丄 J
Vg-A u gs 、 2
-丄脇"一^J ..................[2]
q6为P沟道器件，Vp是正值，1。ss为负值，uGS=VG+AU(;s， [l]式可写成 . VG+A u GS 2
l『-丄脇U ^ > ..................[3]
对于场效应器件，其栅流完全可以忽略不计。根据基尔霍夫电流定律(KCL)有
is—iDN—iDP=0
is=iDN+iDP ..................[4]
将[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」
实质上就是Qs、 Qe组成的互补推挽电路的互导(也称跨导)，Idss、 Vp、 Ve都是常数，因此 gw也为常数，上式可写成
is=gMA u GS ..................[5]式表明了由结型场效应管配对使用组成的互补推挽电路的控制电压A"es——输出电 流is成线性关系，图2-2的转移特性曲线图更直观的表述了这种线性关系。式虽然是对结型场效应管互补推挽电路的证明，但对所有转移特性为平方律关系的场 效应管互补推挽电路都是成立的，因此，Q,、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 q6可用任何类型的场效应管，且 多管并联不改变其线性关系。
一般情况下取V^0.5Vp (具最大线性范围)，此时，静态工作电流iD。=0. 25Idss，电路设计 时应取Is+=Is—=0. 25IDSS。图1电路模块能输出的最大电流iSMAX=0. 75IDSS (要减去Gh、 q2的静态工 作电流)，当不能满足要求时可多管并联使用，或者使用中功率绝缘栅场效应管，要在栅极串 入抑振电阻。目前，结型场效应管的耐压较低，当电路模块工作在高电压场合(如功放电路) 时，可使用中功率绝缘栅场效应管，当输出电流满足要求时， 一般只将q3、 q4换成中功率绝缘 栅场效应管。
图1线性电路模块对于外围电路，1脚为电压信号输入端，也可接地；2脚接负电源；3
脚接正电源；4脚为负电流信号输出端，也可接负电源；5脚为正电流信号输出端，也可接正 电源；6脚为电压信号输出端或电流信号输入端，也可接V/I变换电阻。
6脚输出电流ifis， 5脚输出电流"=(iDN+Is-)， 4脚输出电流"=(iDP-Is+),同样有关系
i6=i5+i4= &△ u KS,这就是本发明涉及的多用途线性电路模块具有线性关系的原因。 本发明的有益效果是，对于电压信号的传输和电压信号一电流信号的变换，可以通过对场
效应管的选配来消除非线性失真(重点对Q5和Qe进行精确配对，Q,和Q2及Q3和Q4配对不好只 会影响零位及静态工作电流、电压，不会造成电信号失真)；对于电流信号的传输，更是与电 路中元器件的参数无关，可以做到零失真传输。由它构建的电信号放大器，完全没有必要再 施加环路负反馈，从而消除瞬态互调失真，对改善听感有立竿见影的效果，同时为零失真电 信号放大器的制造指明了方向。
图1是本发明所涉及的多用途线性电路模块的基本原理电路图。
图2-1是电路模块中互补推挽电路部分的电路图。
图2-2是互补推挽电路的转移特性曲线图。
图3是本发明所涉及的多用途线性电路模块的一个实施例。
图4是电路模块应用在电压信号线性传输时的连接图。
图5是电路模块应用在电压信号-电流信号线性变换时的连接图。
图6是电路模块应用在电流信号线性传输时的连接图。
特别说明一点，图4、图5、图6应用电路的外围电路元器件编号与电路模块内部元器件
编号无关。
具体实施例方式
本发明所涉及的多用途线性电路模块具有三种最基本的用途，具体实施可以依据对电路 性能的要求或做某单一用途而对电路元器件进行删减、更换，组合成多种实施电路。
图3是本发明所涉及的多用途线性电路模块最具代表性的可以满足三种用途且性能优异 的一个实施例。由D,、 D2、 L、 T2、 R5、 R6、 R7构成图l (基本原理电路图)中的Is+、 Is-电流源， 并将图1中的Q:,、 Q4换成绝缘栅型场效应管(在栅极回路串入R8、 R9抑振电阻)。
图4是电路模块应用在电压信号线性传输时的连接图。l脚为电压信号输入端，6脚为电 压信号输出端，3、 5脚并联接正电源+V。， 2、 4脚并联接负电源-V。。 Ci为输入隔直流电容，Ri 为输入电阻，当存在(信号源或前一级输出端直流零位电压很小时可取消C》输入隔直流电 容Ci或输入端不能确定直流零位时，Ri是必须的，以确定1脚、6脚的直流零位。C。是输出隔 直流电容，Rl是免裁(可以是下一级电路的输入电阻)。当电路模块中场效应管Q^ Q2和Qs、 Qe配对良好，输出端6脚直流零位电压很小时，可取消C。输出隔直流电容。
图4应用电路可用在一切需要进行阻抗变换的电路中，例如，信号源和前置放大器的输 出电路，前置放大器和功率放大器的输入缓冲电路等。
图5是电路模块应用在电压信号——电流信号线性变换时的连接图。1脚为电压信号输入 端，6脚接变换电阻Rs， 3脚接正电源+V。， 2脚接负电源-Vn， 5脚接正电流镜输入端，4脚接 负电流镜输入端。Ci为输入隔直流电容，Ri为输入电阻，当存在(信号源或前一级输出端直流 零位电压很小时可取消Ci)输入隔直流电容Ci或输入端不能确定直流零位时，Ri是必须的， 以确定1脚、6脚的直流零位。Rs是V/I变换电阻，决定变换后输出电流i。的大小。
之所以是约等于，是由于电流镜有很小的传输误差，表现为电流增益的变化，不是非线
性失真，只有晶体管的e随工作电流发生变化时才会引起非线性失真。因此电流镜电路应选 用那些e随工作电流变化小(即e线性好)的晶体管，并至少要対Vbe、 e两项参数进行配对。
Ti、 T3、 T5、 Ri、 R3构成正电流镜电路，T2、 T4、 T6、 R2、 &构成负电流镜电路，I^、 R2、 R3、 R4 为均衡电阻，可以降低由于晶体管配对不良引起的非线性失真。电流镜电路有多种选择，图5 使用的是渥尔曼型，还可以选用更好的或更简洁的。
图6是电路模块应用在电流信号线性传输时的连接图。1脚接地，6脚为电流信号输入端， 3脚接正电源+V。， 2脚接负电源-VD， 5脚接正电流源输出端和共栅极电路Qr源极(电流输入端)， 4脚接负电流源输出端和共栅极电路Q2源极(电流输入端)，D" D2、 T,、 T2、 R,、 R2、 &构成正 负电流源，为电路模块和Gh、 Q2提供静态工作电流。Q,、 Q2构成共栅极互补推挽电路，R4、 R5 为抑振电阻，R6、 R7、 Rs对正负电源电压分压，在Rs和Re上产生的电压分别经d、 C2滤除纹波， 确定Qt、 q2的栅极电位(也就确定了源极电位)，从而确定了电路模块内Q3、 Q4和外围辅助电 路中正负电流源及Qh q2的静态工作电压。利用前面对电路模块分析得出的结论，根据基尔霍 夫电流定律(KCL)很容易得出i =ii,并与电路中元器件的参数无关，实现了真正的零失真 电流信号传输。如果在6脚与电压信号之间串一个电阻，同样可将电压信号线性变换成电流 信号，不过由于电阻的取值较小(过大变换后的电流值太小)对信号源的驱动能力要求较高。
图5、图6分别是正相变换和正相传输的实例，要想获得反相变换和反相传输，只需将图 5、图6中电路模块4脚、5脚所接的外围辅助电路互换即可，以便用于平衡传输及BTL放大 电路。
权利要求
1.一种多用途线性电路模块，它由场效应管互补推挽电路及其偏置电路和恒υDS控制电路构成，其特征是Q1、Q2的栅极直接相连并与C1、C2的一端相连共同接模块1脚；C1的另一端与R3的一端和Q5的栅极相连，C2的另一端与R4的一端和Q6的栅极相连；R3的另一端与R1的一端和Q1的源极相连，R4的另一端与R2的一端和Q2的源极相连；R1的另一端与Q3的栅极和IS+输出端相连，R2的另一端与Q4的栅极和IS-的输出端相连；IS+的输入端接模块3脚，IS-的输入端接模块2脚；Q3的源极与Q2、Q5的漏极相连，Q4的源极与Q1、Q6的漏极相连；Q3的漏极接模块5脚，Q4的漏极接模块4脚；Q5、Q6的源极直接相连接模块6脚。
2. 根据权利要求1所述的多用途线性电路模块，其特征是可取消d、 C2电容和R3、 R4电阻， Q5、 Qe的栅极分别与Q'、 Q2的源极直接相连。
3. 根据权利要求1所述的多用途线性电路模块，其特征是Q,、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Qe可用任何类 型的场效应管，并可多管并联使用。
4. 根据权利要求1所述的多用途线性电路模块，其特征是R。 R2可用稳压二极管代替。
5. 根据权利要求1所述的多用途线性电路模块，其特征是恒流源Is+、 Is-可用任何元器件以 任何方式构成。
全文摘要
本发明公开了一种多用途线性电路模块，属于电学领域的基本电子电路。它利用了场效应管互补推挽电路控制电压—输出电流的线性关系以及场效应器件无栅流的特点，与外围辅助电路配合，可以实现电压信号线性传输、电压信号—电流信号线性变换、电流信号线性传输，特别是电流信号传输，完全与电路中元器件参数无关，是真正的零失真传输。主要应用在音频设备内部放大电路，也可用在其它需要精确传输电信号的设备。由它构建的电信号放大器，完全没有必要再施加环路负反馈，从而消除放大器的瞬态互调失真，对改善听感有立竿见影的效果，是模拟放大电路的最佳方案。
文档编号H03F1/32GK101350595SQ20071013890
公开日2009年1月21日 申请日期2007年7月20日 优先权日2007年7月20日
发明者林 高 申请人:林 高