专利名称:高效甲类音频功率放大器的制作方法
本发明是一种输出级的电源电压和偏置受被放大信号控制的高效甲类的音频功率放大器，属提高半导体放大器输出效率的改进技术。
近年来，高保真放大器的研制非带活跃，日本、美国和西欧的一些厂家都相继研制了不少新产品投放市场，国内也有一些产品问世。通常，这些放大器工作于甲(A)类或乙(B)类(包括AB类)状态。工作在A类状态的功率放大器不会产生交越失真和开关失真，音质优于工作在B类状态的功率放大器，但其效率却远低于工作在B类状态的功率放大器。为获得优美的音质，同时又有较高的效率，一些功率放大器采用了“无截止偏置电路”，如美国施里肖尔德公司的“动态偏置电路”、日本先锋(pioneer)公司的“无开关动作放大器”、日本胜利(JVC)公司的“超甲类放大电路”、日本松下(Technics)公司的“新甲类放大电路”、日本哥伦比亚公司的“实时偏置电路”等等。这些无截止放大电路的构思都比较巧妙。其中日本哥伦比亚公司的Denon牌POA3000型功率放大器的“实时偏置电路”更为新颖，它从输出级偏置电流方面入手，部分解决了传统A类功率放大器的低效率问题。然而，分析电路可以看到，它的全部偏置电路设置在输出级的信号通路中，偏置电路结构极为繁杂，此外，由于它的输出级的电源电压固定不变，所以，这种“实时偏置电路”在放大器小功率输出时的效率仍较低。德国专利DE 3013186“高效率的功率放大器”叙述了以改变电源电压的方式提高功率放大器的效率。但是施加于放大器输出级的电源电压呈大幅度的阶跃变化，由此产生的脉冲性噪声可能通过电源而影响到放大器的输出，电源电压的变化阶差电压较大时更为严重。其次，运用这种方式来提高功率放大器的效率，必须使电源电压的变化比较精密地跟踪放大器的输出电压，尽量压低多余的电源电压，方能明显提高放大器的效率，因而就要求大大增加电源电压的变化级数。若按德国专利DE3013186所述的方案，就要设置两倍于电源电压变化级数的独立电源组，因此;当这种要求的电压变化级数较多时，在实际应用中会变得难以实现。特别当放大器要具有高输出能力时，更是如此，因而，上述专利所述的方案，对放大器效率的改善是“粗糙的”、有限的。本发明综合了这些提高放大器效率的基本思想，改进设计了一种全新结构的高效A类音频功率放大器。
本发明的目的是，用一个效率与输出电压无关的电压受控电源和简单的受控偏置电路，施加于A类功率放大器上，从而在保证A类功率放大器的优美音质的前提下，降低无用损耗及发热，提高放大器的效率。
本发明高效A类音频功率放大器由A类功率放大器、模拟电源、量化电源以及简单的受控偏置电路组成。功率放大器的输入级和推动级由固定电压的电源Vc1供电，输出级则由电压受控电源Vc2供电。电压受控电源由两大部分组成模拟电源和量化电源，模拟电源输出端的电压也就是电压受控电源的输出电压Vc2。其中模拟电源由绝对值电路、峰值保持电路、驱动电路和跟随器组成;量化电源由检测电路、代码转换器、触发驱动电路、电子开关、续流管、单元电源、基始电源和储能电容C组成。由于模拟电源的输出电压受功率放大器的输出电压控制，所以，功率放大器的输出电压愈高，电压受控电源的输出电压Vc2的值也愈高，这个可变的电源电压可保证放大器在未达到最大输出之前的任一时刻，输出信号电压不被削顶，同时，又可省去多余的电源电压;反之，当功率放大器的输出电压较低时，Vc2的值也会随之降低。但Vc2有一个最低保持值，称为初始电压，它一方面能克服输出级功率管的饱和压降，同时也提供了一个补偿可变电源系统响应时间延迟的缓冲量。量化电源在任何时刻都能提供一个略高于或等于模拟电源的输出电压Vc2与跟随器工作电压二者之和的量化电压。
传统A类功率放大器输出级偏置电流通常按下式要求设定不变偏置电流IQ＝ (最大输出功率时的电压峰值Vomax)/(负载阻抗RL) × 1/2所以，即使是在小功率输出状态下，也要流过相当大的偏置电流。本发明的高效A类功率放大器在输出级设计有一个简单的受控偏置电路，输出级的偏置电流受控于输出讯号，其值为即时输出电压峰值的函数偏置电流IQ＝ (即时输出功率的电压峰值VO)/(负载阻抗RL) × 1/2即，以放大器即时输出功率认作为最大输出功率的A类功率放大器输出级所要求的偏置电流。因输出级的偏置电流与基极电阻Rb两端的偏置电压VB相关，因此，可导出输出级的偏置电压VB与输出电压峰值Vo二者间的关系式VB＝Re/RLVo+2N Vbe式中，Re为输出级功率管发射极反馈电阻，RL为负载电阻，N为输出级按达林顿接法的级数，Vbe为晶体管的基-射极压降，Vo为输出电压峰值。据此，本发明用了两个偏置电阻，满足了偏置电压VB的动态变化要求(Re/RI Vo)以及用共射推动级的偏置电流和电压受控电源的初始电压在基极电阻Rb上的共同作用，满足VB的静态要求(2N Vbe)。即每一个输出级用一个电阻分压网络(例如，可由三只电阻阻成)，连接电压受控电源输出端和输出级偏置电流控制端之间实现受控偏置。输出级受控偏置后，A类放大器就能在达到最大输出之前，省去多余的偏置电流，从而进一步提高放大器的效率。
由于本发明同时省去了A类放大器输出级多余的电源电压和偏置电流，故输出级始终工作在A类功率放大器的最大输出状态，大幅度降低了无用损耗和发热;由于在本发明中放大器工作在纯A类状态下，所以它能忠实地放大信号。本发明的高效A类功率放大器其理论效率可达50%，且不随相对输出功率的减少而降低。如后面图8所示，阴影区为本发明效率改善区。
由于音乐信号峰值与平均值之比是一个很大的值，因而，要求用于高保真重放的功率放大器的最大输出功率往往是平均使用功率的十倍以上。就这一点而言，本发明用于高保真音频重放，具有特殊的意义，实际的效率改善程度更大。所以，本发明是一种高保真，高输出和高效率的优质音频功率放大器，有着广阔的发展前景。
图1为本发明的原理框图。其中〔1〕是BTL的功率放大器，〔2〕是电压受控电源、〔3〕是模拟电源、〔4〕是量化电源、〔5〕是负载RL、〔6〕是绝对值电路、〔7〕是峰值保持电路、〔8〕是驱动电路、〔9〕是跟随器、〔10〕是检测电路、〔11〕是代码转换器、〔12〕是触发驱动电路、〔13〕是电子开关、〔14〕是单元电源、〔15〕是续流管、〔16〕是基始电源、〔17〕是基极电阻Rb、〔18〕是功率管射极反馈电阻Re、〔19〕是偏置电阻、〔20〕是储能电容器。
图2为最简绝对值电路〔6〕。
图3为最简峰值保持电路〔7〕。
图4为驱动电路〔8〕。
图5为检测电路〔10〕。
图6为量化电压级数为16级时的代码转换器。
图7为用“窗口比较器”方式控制量化电源。
图8为输出功率与效率的关系图表。
下面结合本发明的实施例。
功率放大器〔1〕的输入级和推动级由固定电压的电源VC1]]>供电，输出级由电压受控电源〔2〕VC2]]>供电。电压受控电源〔2〕由模拟电源〔3〕和量化电源〔4〕组成。在模拟电源中，从负载〔5〕两端拾取的输出电压，经绝对值电路〔6〕变换成单极性电压，输入峰值保持电路〔7〕，实现峰值保持，峰值保持电路的时间常数可在0-0.1秒之间选择，保持时间愈长，对效率的改善程度愈小，但电压受控电源系统的响应延时对高频信号放大的影响愈小，因此，这个参数主要取决于电压受控电源的器件响应速度，其次，取决于对保真度的要求。驱动电路〔8〕有两个功能(1)在未得到峰值保持电路〔7〕的输出信号之前，产生一个初始电压，以克服输出级功率管的饱和压降，也可对电压受控电源跟踪时间上的延迟提供一个补偿用的缓冲电压量;(2)当峰值保持电路〔7〕的输出电压出现于驱动电路〔8〕的输入端后，驱动电路〔8〕将峰值保持电路〔7〕的输出电压叠加在初始电压之上，驱动跟随器〔9〕，因此，电压受控电源的输出电压VC2]]>是初始电压与放大器〔1〕输出电压的绝对值或其峰值保持值之和。跟随器〔9〕可以是一组达林顿接法的晶体管，也可以是一个三端稳压器。这个模拟电源〔3〕还防止量化电压跳变引起的副作用，并能降低电源内阻。
量化电源〔4〕由检测电路〔10〕、代码转换器〔11〕、触发驱动电路〔12〕、电子开关〔13〕、单元电源〔14〕、续流管〔15〕、基始电源〔16〕和储能电容〔20〕组成。检测电路〔10〕和代码转换器〔11〕组成一个A/D转换器，它可对电压受控电源输出电压的高低进行检测比较，并按预先给定的对应关系输出二进制码控制信号，然后通过触发驱动电路〔12〕控制各单元电源〔14〕回路中的电子开关〔13〕，使之断开或闭合。各单元电源〔14〕的电压值不同，它们之间的关系与控制方式有关，以二进制码方式控制各组单元电源〔14〕时，各单元电源〔14〕的电压值之间约成二倍率关系递推，即VK＝2VK-1，K＝1，2，3，4……。
式中K为单元电源〔14〕的组号，VK即为第K组单元电源〔14〕的电压值。
在本实施例中，取V1＝5V，则V2＝10V，V3＝20，V4＝40V。
这样，在二进制码控制方式下，开闭各路电子开关〔13〕，就能在模拟电源〔3〕的输入端合成一个有2K种电压值的量化电压，量化电压经模拟电源〔3〕加以模拟化后，施加于高效A类功率放大器的输出级。采用这种编码方式合成质化电压，可用少量的单元电源〔14〕组合得到较多的量化电压变化级数。例如以5伏特的量化电压阶差间隔来合成最高输出为80伏特的量化电压，只需四组单元电源〔14〕和一个5伏特以上的基始电源〔16〕。各单元电源〔14〕的电压值分别为V1＝5V、V2＝10V、V3＝20V、V4＝40V。详见表一。
因为电压受控电源〔2〕还要为放大器〔1〕提供一个最低保持电压，另设常开的基始电源〔16〕。量化电源〔4〕中的续流管〔15〕的作用是，当本级的单元电源〔14〕回路被电子开关〔13〕断开后，可提供一个电流通路，使其它单元电源〔14〕合成的量化电压仍能施加于模拟电源〔3〕的输入端，而在本级的电子开关〔13〕接通时，则续流管〔15〕反偏，量化电源〔4〕中的储能电容〔20〕的作用是保证量化电压不会在转换瞬间中断，并能消除可能发生的脉冲干扰，由于其容量较小，所以，不会影响整个电压受控电源〔2〕的输出电压上升速率。
由上可见，量化电源〔4〕的设置，使得模拟电源〔3〕的输入输出电压差终始被限制在一定的范围内，其波动的范围为一个量化电压阶差值，所以，电源部分的损耗不会因输出电压的降低而变化，而只能是电压受控电源〔2〕的输出电压VC2]]>愈低，量化电源〔4〕关断的单元电源〔14〕的组数愈多或电压值愈高，从而，向电网索取的功率也愈少。
本发明中的受控电源偏置实施如下负载〔5〕上的输出电压Vo使电压受控电源〔2〕的输出电压VC2]]>有一个增量△Vc2＝Vo，这个电压增量通过偏置电阻〔19〕在基极电阻Rb〔17〕上也产生一个增量△VB，从而使输出级的偏置电流上升至A类放大所要求的数值，即由偏置电阻〔19〕和基极电阻Rb〔17〕组成的分压网络满足了高效A类放大的偏置要求。必要时还须接入热敏元件，以对输出级的功率管进行热补偿。
本发明的电压受控电源〔2〕和受控电流偏置可用于OCL功率放大器，也可用于BTL功率放大器。用于OCL时，要求有两组电源，即设置两组模拟电源〔3〕和两组量化电源〔4〕，由一组检测控制电路控制。用于BTL功率放大器时，其平衡能力较强，而且输出级只需一组单极性的电源电压。在最大输出功率相同的条件下，BTL功率放大器要求的电源电压绝对值只是OCL功率放大器的二分之一。因而，在BTL功率放大器中，实施本发明可将量化电压的阶差设计得小些，使模拟电源〔3〕的输入输出电压差的波动范围更小，从而，减少无用损耗的波动范围。或可减少单元电源〔14〕的组数也能达到目的。另外，在这二种电路上实现受控偏置时，因OTL为一组输出级，故需一套电阻网络，而BTL要二组。
如上所述，在本实施例中，量化电压合适的阶差电压取在1V-10V之间，在量化电源〔4〕的最高合成电压值不变的情况下，阶差电压适当取小些，对提高效率有利，但单元电源〔14〕的组数增多;反之，阶差电压取大些，单元电源〔14〕的组数可减少，但对提高效率不利。因此，应适当选择。
本发明还可通过其它方式予以实施。例如，模拟电源〔3〕的A/D转换部分可由一个窗口比较器〔21〕和一个计数器〔22〕代替，检测模拟电源的输入输出电压差。低于或高于预先设定的范围，就分别输出“加”脉冲或“减”脉冲，来改变可逆计数器的输出状态，从而控制量化电压的组合。如图7，其它部分同上。
另外，在实施本发明时，也可省去模拟电源〔3〕，由负载〔5〕上的输出电压直接控制量化电源〔4〕的输出电压高低，其它部分同上。
或者模拟电源〔3〕的输出电压通过一个附加的电压放大器，直接受控于放大器的输入信号。
当然，本发明也可按下述形式部分实施，即输出级偏置电源设定在A类放大器的要求值，利用电压受控电源〔2〕以提高放大器的效率;或固定输出级的电源电压于传统A类放大器的要求值，利用一个小功率的电压受控电源(可不用量化电源)，通过偏置电阻〔19〕和基极电阻〔17〕，实现受控偏置电流。这两种做法对于功率放大器小功率输出时的效率改善程度相同，都能使放大器的效率高于传统A类功率放大器，但低于50%。
本发明高效A类功率放大器以纯A类方式工作，所以音质极佳。另外，由于设置了电压受控电源〔2〕和受控偏置电流，故在任一时刻，放大器输出级的电源电压和偏置电流值，均是以该时刻放大器的输出功率认作最大输出功率的A类功率放大器所要求的电源电压和偏置电流值。因此，解决了传统A类功率放大器的主要缺陷。
注表中“1”表示通，“0”表示断。
权利要求
1.一种包括放大电路、负载、跟随器的高效A类音频功率放大器，其特征在于有受被放大信号控制的由模拟电源和量化电源组成的电压受控电源和受被放大信号控制的受控偏置电路。
2.根据权利要求
1所述的高效A类音频功率放大器，其特征在于量化电源由检测电路、代码转换器、触发驱动电路、基始电源、多组电压值约成二倍率关系的单元电源、储能电容器、电子开关和续流管构成。
3.根据权利要求
1所述的高效A类音频功率放大器，其特征在于模拟电源由绝对值电路、峰值保持电路、驱动电路和跟随器构成。
4.根据权利要求
1所述的高效A类音频功率放大器，其特征在于受控偏置电路是连接于电压受控电源输出端和输出级偏置电流控制端之间的分压网络，基本结构为三枚电阻。
5.根据权利要求
3所述的高效A类音频功率放大器，其特征在于所说的跟随器是基准电压受控的跟随管或三端稳压器。
6.根据权利要求
2所述的高效A类音频功率放大器，其特征在于所说的电子开关是二进制码式开关。
7.根据权利要求
1所述的高效A类音频功率放大器，其特征在于量化电源包含有一个“窗口电压比较器”和一个“可逆计数器”。
8.根据权利要求
1所述的高效A类音频功率放大器，其特征在于功率放大器的输出级也可仅由量化电源直接供电;或可仅设置电压受控电源或受控偏置电路。
专利摘要
本发明是一种输出级的电源电压和偏置电源受被放大信号控制的高效A类音频功率放大器，由功率放大器、电压受控电源和受控偏置电路构成。任一时刻，高效A类音频功率放大器输出级的电源电压和偏置电流值，均为以该时刻的输出功率认作最大输出功率的传统A类功率放大器输出级所要求的电源电压和偏置电流值。因此，本发明解决了传统A类功率放大器的主要缺陷。
文档编号H03F3/20GK86101540SQ86101540
公开日1988年4月13日 申请日期1986年8月18日
发明者孙一鸣 申请人:孙一鸣导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan