专利名称：低成本高性能甲乙类桥式放大器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电声领域半导体功率放大器。目前国内在家用音响产品中应用的各型号进口功放集成电路都还没有摆脱自举、滞后补偿、负反馈电容这些有害的相移元件，因而都有较严重的瞬态互调失真(TIM)，其表现为放音时低音偏硬，高音显得尖刺、发燥。又因这些进口功放集成块的功放末级多是准互补结构，不能保证信号的对称性，故其谐波畸变(THD)指标并不高。随着数字音源(激光唱机、数字音带)的日益普及，对功率放大器的电声指标提出了更高的要求，这在国外更是如此。另一方面，基本上摆脱了TIM失真，THD指标也十分优异的进口单端推挽功放集成块也已应市，但其售价相当昂贵。例如，只有一个声道单功放的STK4000X1系列集成块，其价格比有两个同样输出功率的双功放IC(STK4101Ⅱ系列及STK400系列)还要贵，这就影响了它在家用音响产品上的应用。人们对分立元件功放电路已有很深的研究成果，尤以全互补全对称结构的桥式功放电路的性能更为优异，但是，它只能作为一种实验室的研究成果存在着，因为其极其复杂的异极性晶体管之间的特性配对要求和严格的调试要求，很难在大批量生产中实施，至于将这种电路集成化，也存在着集成工艺复杂，售价更昂贵的问题。
图1示出了一种现有技术的桥式功放电路(除运放A1与BG17组成的功放保护电路外)，这个电路具有一般桥式功放电路共有的优点，但它设计在乙类推挽工作状态，会产生交越失真与开关失真，并且以往的设计者对它采用由双稳态电路构成的功放保护电路有一定的缺陷。
本实用新型的目的是试图提供一种对上述电路经过改进而简洁的电路，使它能以低廉的生产成本，较高的性能，很好的生产工艺实施性来适应人们向功放电路提出的更高的性能要求，使每个家庭都能享受到更加优美的音响，提高家用音响产品的质量与它在国内外的竞争能力。
本实用新型的目的是这样实现的1、在上述现有的乙类桥式功放电路的基础上，在电压推动管的两个集电极之间插入一个恒压偏置电路(见图3)，使其对末级功率管的偏压大小取决于流过推动管的集电极电流的大小，亦即取决于对输入差动级恒流管发射极回路中的可调电阻的调整，这样便于将桥式功放的工作状态由原设计在乙类改进为甲乙类。作这种改进是必要的，可以使它在一般放音时工作于甲类状态，不产生交越失真和开关失真，而大信号到来时，末级功率管工作在乙类状态以产生足够的气势。2、在输入级差动电路恒流管的基极对地之间接入功放输出端过载和短路保护电路中开关三极管的集、射极(见图1)，使功放电路得到灵敏可靠的保护措施。3、在输入级差动电路的恒流管发射极回路中插入无信号静态工作点自动切断电路中开关三极管的集、射极(见图2)，使其具有无输入信号时自动切断功放电路的工作点，但信号一到又迅速地建立起原先预调好的(甲乙类状态)工作点的功能。
下面作进一步说明。在以往通常的功放电路设计中，末级功率管的偏压是靠调整恒压偏置电路中的二个分压电阻中的一个来实现的。这对于桥式电路来说就要有两个偏压调整点，再加上前级的调整点(一般有4个)，它们互相牵连使电路调整相当复杂。而本实用新型电路将恒压偏置电路中的二个分压电阻作成固定不可调的，使它对末级功放管提供偏压的大小由电压推动管集电极电流来决定，亦即图3中Icc越大。则偏压越大，而Icc的大小可通过对W的一点调整确定。图1电路是靠BG7、BG8来倒相的，这种集、射倒相方式在单端功放电路中会产生较大的失真，但在桥式电路中对角管一推一挽的结果在负载上得到的仍然是一个完整的波形。它虽然不及具有全对称互补差动输入级倒相或者菱形差动倒相方式先进，但却有电路简洁，调试方便(整个电路只有一个工作点调整点)，晶体管配对方便等优点，整个电路的电性能指标仍然相当好。以往所有处于甲乙类工作状态的进口功放集成块在静态时都要消耗一定的电能，例如进口的TA7240集成块静态电 流就有80毫安，这会大大缩短于电池电源的使用寿命，而作为桥式功放，则其静态消耗更不应忽视，另一个方面，由前置电路中传来的磁带转动的嘶噪声，电唱机的唱针磨擦声，广播电台的背景流水声等所有的噪声，会在节目信号的停顿间隙中令人感到烦噪。本实用新型中无信号静态工作点自动切断电路(见图2)能非常彻底地解决上述两个问题。图2由三个运放组成，A2为高输入阻抗放大器，其输入端接到前置电路中去不会影响别的电路正常工作，A3为中间放大，A4为电压比较器，其反相端被VA固定住。无信号时，预置电压VR′远大于A4同相端的输入电压，故A4输出低电平而BG18处于截止状态，当仅有1mV的信号送给功放电路放音时(这相当于用户将音量调得很小)，通过A2，A3的放大，A4的同相端电位便一跃而高于反相端的电位，使A4输出由低电平跃为高电平，BG18随即进入深饱和状态。由于BG18集射极是插接在图1电路中BG5的发射极回路中的，故有、无信号两种情况将导致BC3，BC4差分放大器的静态偏置被处于“接通”或“切断”二种状态，当被“切断”，末级管无静态电流流过。整个功放电路相当于被“关死”了。反之当被“接通”时，整个功放电路立即进入预先被调整好的甲乙类工作状态进行正常放音。对于短暂的信号(如语音信号)不会发生接续不良的现象。实际的放音证明，当无信号时(比如磁带进入二个节目之间的接续阶段)，扬声器如同死寂一般，一点儿细小的声音都没有，而信号一来，扬声器即刻完美地放出声音来，在连续的信号作用下，BG18便能一直处于深饱和状态，不会“关闭”功放电路。仅当信号停顿片刻，才产生“关闭”现象。这种既将功放电路偏置在甲乙类状态，而静态又不消耗电能(功放电路内基本无静态电流)的设计，确有其独到之处。因为，事实上广播节目、录音磁带、唱片等节目之间总有少量的转换停顿片刻，或者正在运行的节目本身也常有间断的停顿(如广播剧，交响音乐进入低潮停息时刻)。这样末级功率管常常能获得间断的“休息”，可以降低管温。尤其值得提出的是，当用户打开放大器而长时间不输入信号时，功放电路就一直处于关闭状态，不消耗电能，不会出现烧管现象。这对电子乐器尤为适用，演奏者可以放心地打开电源，慢慢地读谱练琴，不按下琴键时机器几乎不消耗电能，这对于节约干电池的静态消耗来说有很大意义。
图2电路还具有极为优良的静噪功能。以往人们采取的静噪措施大多是在功放输入端设立噪声门，但它毕竞还不能抑制功放电路本身产生的静态噪声，而图2的电路从根本上切断了功放电路的工作点，静态时扬声器就象无生命的太空一样死寂无声。图2电路的信号输入可取自于功放电路之前的前置放大电路中任一放大级的输入端。这样接法的好处在于信号从每一单元电路通过均需要一定的传输时间，若将图2电路的输入端尽量接到前面单元电路中去，有利于功放电路及时地跟随信号作出响应。对于图1所示的乙类桥式功放电路，以往的设计者采用双稳态电路作保护，它有二个弊端，一是一旦发生保护，要重新关机，排除短路故障后再开机方可重放音，有时因将保护整定点取得稍小一点而音量调得过大发生瞬时过载，也得重复一次关、开机，操作较麻烦。二是在设计适用于家用音响产品时，由于末级功放管的相对PCM值较小，故电路的保护整定电流值也相应较小，这样，当开机通电的瞬间，由于电路要达到VA＝VB的平衡过程需要一定的时间，此时有较大的开机电流流过功放管(但这并不会使扬声器产生讨厌的开机“卟”声)，会使双稳态保护电路动作，无法再放音，重复一次开机又是这样。这就是说，无法实用(只有将扬声器脱开开机方行)，而笔者设计的保护电路可即时保护即时自动撤除保护，无上述弊病。这是由笔者独创设计的。
图1中运算放大器A1接成电压比较器电路，R33、R34组成预置基准电压分压电路，预置电压VR的大小直接决定了对功率管保护的整定点。当末级功率管过载或短路流过大电流时，取样电阻R36上便产生大于VR的电压降，使A1的输出迅速由低电平翻成高电平，于是BG17迅速地进入深饱和状态。在无信号或正常放音时，R36上无压降或压降小于VR值(既使大动态时也是如此)，不会产生保护动作。该电压比较器保护电路动作迅速，在有较大动态输出时将输出端短路，保护立即动作，短路多长时时均无问题，什么时候将短路脱开，电路就什么时候即刻恢复放音。
综上所述，本实用新型功放电路具有下列特点(1)与目前正在家用音响产品上应用的进口集成功放相比，本电路彻底摆脱了自举、滞后补偿、负反馈三种有害的电容，故瞬态互调失真大大减小。(2)本电路充分利用了电桥自动平衡的特点，故其谐波畸比指标也很好。(3)本电路还有以前的进口功放集成块所没有的二个优点，即静耗极小与优良的静噪功能。(4)本电路只需要单电源供电，电源的利用率高，给变压器制造带来了很大的方便，可减小变压器的体积与成本。(5)本电路由于桥路所具有的优点，它对电源的内阻及纹波要求比单端功放要低，且仅需一只电源滤波电容即可，这也大大节省了成本。(6)末级功率管的特征频率fT值的高低是功放放音质量的关键之一。本功放用单电源供电，故可选用耐压要求低，PCM值较小的功率管。实际情况是PCM值较小的功率管往往fT值较高，这给选用价低而fT值高的中功率管提供了极大的便利。而单端功放电路则要在相对耐压高一倍且大功率管范围中寻觅fT值较高的功率管相当困难，况且其价格相当高昂。这也是本功放可以大大节约成本而性能却很高的原因。(7)本电路避开了复杂的异极性晶体管之间的特性配对，而仅需在相同极性的晶体管之间配对，并且电路只有一个调试点，这些均大大方便了工厂批量生产的实施。(8)结合上述分析，再按分立元件价格核算一下总成本，应用本实用新型方案生产同样输出功率的功放电路可比应用进口集成功放电路节省20％～80％。(9)家用音响产品中的双声道功率放大器一般均使用双功放集成块中的两个单端推挽电路。使用本实用新型方案则可在相同电源电压下使用两路桥式功放(但成本仍然是大大减小)，可使输出功率增大4倍，更可进一步满足现代高保真对储备功率的要求，使得大动态信号下也不出现削顶失真。
工厂过去用惯了集成电路，改用分立元件电路似走了回头路，较难接受。笔者在此谈一点看法。由于本实用新型优异的性价比与方便的工艺实施性，即使采用分立元件电路也是非常值得的。现在，由于进口的三极管制造特性的一致性相当之好，使得同极性晶体管的特性配对变得易如反掌，即只要在数字式万用表上测得两个晶体管的HFE值配对，则该两个晶体管一定在图示仪上的β值与VBE参数是动态配对的。而且数字式万用表的读数非常精确，甚至不难得到小于2％的配对精度。一袋(包装的)正品晶体管中竞有95％可以配成对子，两个配对人员一个上午竞可配出3000对同极性晶体管，可见工艺实施不复杂。再则，亦可对本实用新型主功放电路除末级功率管之外进行集成化处理，以方便工厂的大批量生产。
本实用新型功放电路实测指标如下频响5～250KHz－0.5db谐波失真≤0.01％噪声电平＜1mV当接有静态工作点自动切断电路时，静态噪声输出零伏。
输出端直流电位不平衡度0.005伏
权利要求1.一种带有恒流源的差动输入级并利用晶体管集射极倒相带动四角电压推动管的乙类桥式功率放大器，本实用新型的特征是在原来连接着的电压推动管的两个集电极之间插入一个恒压偏置电路，在输入级差动电路恒流管的基极对地之间接入功放输出端过载和短路保护电路中开关三极管的集射极，在输入级差动电路恒流管的反射极回路中插入无信号静态工作点自动切断电路中开关三极管的集射极，并由此构成工作于甲乙类状态的桥式功率放大器。
2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征是左右两个单端推挽部分的恒压偏置电路中所接入的分压电阻是固定不可调的。
3.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征是无信号静态工作点自动切断电路中开关三极管的基极通过一个电阻与开关二极管的负极相连，而该二极管的正极和比较器的输出端相连接。
4.根据权利要求1和3所述的功率放大器，其特征是无信号静态工作点自动切断电路的输入端与功放之前的前置放大器中任一放大级的输入端相连。
5.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征是功放输出端过载和短路保护电路中开关三极管的基极通过一个电阻与比较器的输出端相连，比较器的正相输入端与取样电阻相连，取样电阻的另一头是接地的。
专利摘要一种低成本高性能甲乙类桥式放大器，它采用集射倒相方式，整个电路静态工作点只需通过一个可调电阻一点调定，内含从功放管流出的电流中取样的电压比较器保护电路及根据输入信号的有无可自动打开与切断工作点的电路，具有优良的静噪功能，电路中无反馈、自举、滞后补偿相移电容，生产工艺性好，与以往的进口功放集成块相比具有静耗小，电性能指标好，输出功率大4倍而成本却大大降低的优点。
文档编号H03F3/21GK2081605SQ9020883
公开日1991年7月24日 申请日期1990年6月15日 优先权日1990年6月15日
发明者陈国伟 申请人:陈国伟