专利名称：电流信号线性传输的方法
技术领域：
本发明涉及一种实现电流信号线性传输的方法，属于电学领域的基本电子电路。
技术背景模拟电信号可分为电压信号和电流信号，现阶段，音响设备间的电信号传输以电压传输 方式为主，电流传输方式的电流大小、阻抗、接插件等还没有形成统一的标准，只在极少数 厂商的成套产品中有应用。电流传输方式在设备内部电路应用越来越多，这要得益于电流传 输方式在技术上的优势。电流传输要求负载阻抗越小越好，当然也就不怕输出端短路；设备 之间用电流信号传输能提高抗干扰能力，并减小接插件接触电阻和传输回路分布参数对信号 传输的影响；在设备内部电路使用电流信号传输除上述优点外，还可方便的调节电路增益来 控制音量，不需要衰减信号，实现高信噪比输出。电流传输方式将是今后的发展方向。环路负反馈技术的发明，在数字音源出现之前的模拟信号源(磁带、唱片等)时代，对 改善放大器性能起到了非常重要的作用(也和那时的器件水平和科技水平有关)。'但随着数字 音源(CD、 DVD、 SACD等)的出现，虽然指标越来越高，人们却发现，并没有希望的那样动 听。究其原因，并不是数字音源不好，问题还在晶体管放大器本身，为了降低非线性失真， 施加了深度环路负反馈，引发严重的瞬态互调失真，这种失真为硬失真，对听感影响最大。 而电子管放大器这种失真为软失真，加之电子管放大器偶次谐波(失真)有"美化"声音的 作用，几乎绝迹的电子管放大器又焕发了 "生机"，从技术的角度讲这是倒退。晶体管放大器 要完全取消环路负反馈，非线性失真是挡在前面的拦路虎。有源放大器件发展至今，还没有 出现线性器件，要消除放大器的非线性失真，必须从电路设计上入手。 一是使传输(放大) 信号与有源放大器件的参数无关，这是最彻底、最有效的方法；二是对有源放大器件的非线 性进行补偿，可分为异性补偿和同性补偿，广泛使用的电流镜电路就是同性补偿的典型代表。 补偿的方法要依赖晶体管参数的精确配对来保证性能指标， 一对性能优异的电流镜电路，需 4-5对晶体管构成，并至少要対Vbe、 P两项参数配对，增加了制造成本，不利于批量生产。 再者，配对总有误差，这就是许多放大电路使用了电流镜电路还是要施加环路负反馈的原因。 负反馈技术能改善失真，却不能消除失真，实现零失真放大的目标不能寄希望于负反馈技术， 完全取消环路负反馈的可调增益零失真放大器，是现代晶体管模拟放大器的终极目标。 发明内容为了消除电信号放大器的非线性失真，构建无环路负反馈可调增益零失真放大器的目标， 本发明提供一种实现电流信号线性传输的方法。该方法实施电流信号的传输与电路中器件的 参数无关，从而可克服有源放大器件的非线性，实现电流信号的零失真传输。当输入级场效 应管配对良好，在电压信号与电流信号输入端串一个电阻，还可将电压信号转换成电流信号， 实现线性V/I变换。将输出电流通过一个电位器(接成可变电阻形式)进行I/V变换，即可 调节电路增益。本发明消除非线性失真所采用的技术方案是利用低输入阻抗的共栅极互补推挽电路接 收电流信号，经过各自的恒流源负载，输出至第二级共栅极互补推挽电路合成输出，它由两 个共栅极互补推挽电路和两个恒流源电路及工作电流、电压设定偏置电源组成。其电路连接关系Q,、 q2的源极分别接Rn、 Rp的一端，Rn、 Rp的另一端相连接输入端(1)， Qh a的栅极分别接Ve—的负端和Ve+的正端，Ve—的正端和Ve+的负端相连接地(4)， Q,漏极与03源极相连接恒流源Is+输出端(3)， q2漏极与Q,源极相连接恒流源Is-输出端(2)， &、 04的栅极分别接、 负端和V。-正端，Q3、 q4的漏极相连接输出端(6)， U输入端与Vw正端相连接正电源(5)， Is— 输入端与V。—负端相连接负电源(7)。RN、 RP、 VG—、 Vc+构成分压器式自偏压电路，确定CK、 q2的静态工作电流，Is+、 Is—确定Q" q^的静态工作电流(为I"、 Is-减去q。 Cfc的静态工作电流)，V。+、 V。-分别确定q,、 Is+、 q3和q2、 Is-、 04的工作电压。当只需要进行电流信号传输时，可取消Ve—和Ve+， Q" q2的栅极直接相连接地(4)，由Rw、 Rp建立自偏压确定静态工作电流。优点是偏置电路非常简单，缺点是输入电阻较大，也能做 到〈100Q,基本能满足电流源对负载阻抗的要求。当要兼顾电压信号输入时，必须取消Rw和Rp (因为在RN和R。上建立理想的电压源性质偏 置电压很困难)，Q" q2的源极直接相连接输入端(1)，由V。-、 V"固定偏压电路确定静态工作 电流。只须对Q" q2进行良好的配对，在电压信号与电流信号输入端串一个电阻，就可将电 压信号线性的转换成电流信号。本发明实现电流信号零失真传输的基本原理，是利用场效应器件的压控特性，无栅流产 生(结型场效应管输入电阻〉100MQ，绝缘栅型场效应管输入电阻〉100000MQ，栅流完全可 以忽略不计)。图l是基本原理电路，根据电工学的基尔霍夫电流定律(KCL),对于节点(1) 有_i「i i—iDP=0 -ii=-(iDN+iop) ..................[1]对于节点(3)有 ioN+i。+—工s+-0i()+=Is+-丄DN ..................[2]对于节点(2)有 iDP+i0—+Is—=0io;_Is--i。p ..................[3]对于节点(6)有 i0-io+-io~=0将[2]、 [3]式代入上式得itpIs+-iDN-Is--ii)p设定15+=15-，此时有io=_ (ii)N+iDP) ..................[4]根据[l]、 [4]式可得:i。=ii ..................[5]即可实现电流信号的零失真传输，并与场效应管的参数无关。电路能传输的最大电流为结型场效应管的Ipss,当不能满足要求时，可多管并联使用，同 时能降低输入电阻。目前，结型场效应管的耐压较低，当电源电压较高(例如用于功放电路) 时，Qt、 "、 03、 q4可使用绝缘栅型中功率场效应管，Q,、 q2对耐压要求相对较低，还可使用 结型场效应管，只在其漏极与节点[3]、 [2]之间串入适当电压的稳压二极管即可；Q。 A、 ft、 q4还可使用双极晶体三极管，只须对四只管子进行e配对，并选择那些P随工作电流变化小 (即e线性好)的型号。输出电流. P2 ■10一 (l+" 2 " ..................[6]电流增益略有下降，由于配对精度和e的线性问题，虽不能做到电流信号的零失真传输，也不非常适合用于V/I变换，但其性能已能满足一般要求。对恒流源Is+、 Is-的基本要求是输出内阻大，对Ve-、 Vw、 V^、 V^的基本要求是电压稳定，只要满足要求，可用任何元器件以任何方式构成。必要时可加入零位何服电路，用以控制零点漂移，图2是一个电路实例。当u。s不变时，结型场效应管的转移特性iD=IDSS(l—t )2 (当0《| UgsI《IVpI吋) ..................[7]在图3-l电路中，V&—、 V。+为偏置电压，确定两管静态工作电流， 一般取V(^Vo^V^0.5Vp， 此时静态工作电流"。=0.251股，假设N沟道Qi与P沟道Q2参数相同(即完全配对使用)。 对于N沟道Q" Vp是负值，I啦是正值，"ffi=-Vg+A u gs， [7]式可写成.-tm_ u b 、 2lDN一丄DSS 、丄一 ^ J一VpVG-A U os ) 2"" VP J ..................[8]对于P沟道Q2， Vp是正值，I股是负值，uffi-VG+AUGS， [7]式可写成i —J(1一 、+△ U C) 2将[8]式展开得.t n 2V、 2 a 丄2VG a 丄△ " CS2 ，lDN=Wl-nAUGS+ V — VAUcs+ 1T"] ..................[10]将[9]式展开得idp=Ipss[—1+j+jAuGS— v — f A"cs— ~^~」 ..................[u]对于节点(1)，根据电工学的基尔霍夫电流定律(KCL)有_ii-ioN_iDP=0ii=- (iDN+iw) 将[IO]、 [ll]式代入上式得: .—一t 「 4 — 4VGi广一I股L ^ — J」A^ ..................[i2]令n 「丄_ iXi ，实质上就是Qh Q2互补合成后的跨导(也称互导)，Ioss、 Vp、 Ve都是常数，因此g,也为常 数。[12]式可写成:i产-g,AuGS ..................[13][13]式对于i。随^s按平方规律变化的所有类型场效应管构成的互补推挽电路都是成立 的，属于对有源放大器件的非线性进行补偿的异性补偿方法。 图3-2非常直观的表述了这种关线。 输入电压u^Rii-厶i^△ u ffi= Ri'.- u i 代入[13]式得 i产-g,Rii+g, u ili_ 1TiiJ ' ................[14]从[14]式可得出结论当Qh Q2完全配对时，g,为常数，在电压信号与电流信号输入端 串一个电阻，就能将电压信号线性的转换成电流信号，实现线性V/I变换。 如果考虑u。s的变化，结型场效应管的转移特性iD=IKsa-々)2(1—々)(当0《| 、sl《IVpl时)Vp VA 式中Vp—夹断电压，VA—厄尔利电压当Uos随输入信号发生变化时，g,不再是常数，前面的结论将不成立。因此，设计电路时， 要尽量使Ups不随输入信号变化或变化很小。在图1电路中，电流输入端(1)随输入电流变化最大值为土0.5Vp (目前高跨导结型场效应管VP<0. 5伏)，本身变化不大，加上Qa、 Q4的ucs变化的补偿作用，只要电源电压及V" V。+稳定，Qh Q2的i^基本不随输入信号变化， 这就是本发明电路结构的巧妙之处。本发明带来的有益效果是，由它构建的电信号放大器，已没有必要再施加环路负反馈， 可应用在从信号源至功率输出的所有放大电路，并可方便的调节电路增益实现音量控制，不 需要衰减信号，从而实现高信噪比输出，向无环路负反馈的可调增益零失真放大器的终极目 标迈进一大步。
图1是本发明涉及的电流信号线性传输的方法的基本原理电路图。图2是用本发明构建的一种兼顾V/I变换的电流信号传输电路的一个实例。图3-1是用于V/I变换的连接图。图3-2是V/I变换的转移特性曲线图。图4是本发明构建的电流信号传输电路用于音源部分的方案示、意图。 -图5是本发明构建的电流信号传输电路用于功放部分的方案示意图。
具体实施方式
本发明提供的是一种实现电流信号线性传输的方法，根据不同的用途和要求，构成的具 体应用电路是多种多样的。图2仅是本发明涉及的电流信号线性传输的方法构建的最具代表 性的应用电路之一，它可以兼顾电压信号输入，在电压信号与电流信号输入端(1)串一电阻 (参见图3-l)，可以将电压信号线性转换成电流信号，实现线性V/I变换，并加入了零位伺 服电路，具有更广泛的用途。在图2中，Di、 T3、 R3和D2、 T4、 R4为恒流源提供基准电压及温度补偿，Cj、 Cs和C4、 C6 为滤波电容，使基准电压更稳定。&、 1\和1 2、 T2分别构成图1电路中的恒流源Is+和Is—, Ru、 Ts和R12、 Te构成的恒流源输出电流在R9、 R,。、 R7、 R 、 W。 Ws上产生稳定的电压，通过&、 d和Ra、 C2进一步滤波，构成图1电路中的偏置电压Ve-和Ve+;通过R"、 C7和Ru、 Cs进一步滤波为Qs、 Qe提供偏置电压。Wi用于调整输入端(1)零位，W2用于调整输出端(6)零位。R15、 R16为零位反馈电阻，通过G、 Cs滤除信号电流，控制Qs、 Qe使输出端(6)零位稳定。通过Rn、R18、 Ri9对电源士V。分压，在R17、 Rw上产生电压，经Cs、 d。进一步滤波，构成图1电路中的 V。+、 V为Qi、 "、 T,、 T2、 Q3、 Q4确定工作电压。本电路应使用稳压电源供电，以保证Q^ Q2的Uos在工作时基本不变，当输入电压信号时 能进行线性V/1变换。在图4所示实施例中，是将图2电路应用在音源部分的示意图。音源是使用电流输出型 数模转换器(DAC)的CD、 DVD、 SACD机及电脑声卡等，将DAC输出电流经图2电路传输(电 流并没有放大，只是提高驱动负载的能力，DAC工作电压只有土5伏，内部还设有二极管双向 限幅器，带负载能力很差，直接用于I/V变换得到的信号电压很低，达不到输出要求)， 一方 面可以直接输出电流信号；另一方面通过R进行I/V变换，再经缓冲电路(电压跟随器)输 出电压信号。在图5所示实施例中，是将图2电路应用在功率放大器部分的示意图，可以直接接收电 流信号，也可以接收电压信号，通过R和图2电路的输入级线性转换成电流信号。图2电路 的输出电流经过接成可变电阻形式的电信器W进行I/V变换，经输出级(电压跟随式电流放 大级)推动扬声器或耳机发声，W用于音量控制。
权利要求
1.一种电流信号线性传输的方法，它由两个共栅极互补推挽电路和两个恒流源电路及工作电流、电压设定偏置电源组成，其特征是Q1、Q2的源极分别接RN、RP的一端，RN、RP的另一端相连接输入端(1)，Q1、Q2的栅极分别接VG-的负端和VG+的正端，VG-的正端和VG+的负端相连接地(4)，Q1漏极与Q3源极相连接恒流源IS+输出端(3)，Q2漏极与Q4源极相连接恒流源IS-输出端(2)，Q3、Q4的栅极分别接VO+负端和VO-正端，Q3、Q4的漏极相连接输出端(6)，IS+输入端与VO+正端相连接正电源(5)，IS-输入端与VO-负端相连接负电源(7)。
2. 根据权力要求1所述的电流信号线性传输的方法，其特征是取Rr^R产0， Q" Q2的源极 直接相连接输入端(1)。
3. 根据权力要求1所述的电流信号线性传输的方法，其特征是取Vo尸Vg^0， Qb q2的栅 极直接相连接地(4)。
4. 根据权力要求1所述的电流信号线性传输的方法，其特征是Ch、 Q2、 Q3、 q4可用任何类 型的场效应管或双极晶体三极管，并可多对并联使用。
5. 根据权力要求1所述的电流信号线性传输的方法，其特征是Is+、 Is.、 Vc.、 Vch、 Vo+、 Vo 可用任何元器件以任何方式构成。
全文摘要
本发明公开了一种实现电流信号线性传输的方法。它利用场效应管共栅极电路与恒流源电路的巧妙组合，能将输入电流信号从输入端无失真的传输到输出端，也可实现电压—电流的线性变换。该方法主要应用于音频信号放大电路，也可用在其它需要精确传输(放大)电信号的设备。运用本发明构建的电信号放大器，已没有必要再施加环路负反馈，可应用在从信号源至功率输出的所有放大电路，并可方便的调节电路增益实现音量控制，不需要衰减信号，从而实现高信噪比输出，是模拟放大电路的最佳方案。
文档编号H03F1/32GK101335501SQ20071012775
公开日2008年12月31日 申请日期2007年6月26日 优先权日2007年6月26日
发明者林 高 申请人:林 高