专利名称：新型半导体管高保真电声功率放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用半导体管构成高保真电声功率放大器的技术方案。
现有的电声功率放大器主要分为用电子管构成的和用半导体管构成的两大种。
电子管电声功率放大器存在着内阻大、放大线性较差、能量转换效率低、附加功率消耗(如灯丝加热功率等等)大、电压利用率低、发热量大和寿命较短、体积重量大等一系列缺点。自半导体管发明后，人们一直在努力提高半导体管电声功率放大器的性能以期用以替代电子管电声功率放大器，目前，电子管电声功率放大器在许多应用方面已被半导体管电声功率放大器所取代。但是，在高保真音响设备方面，因为电子管电声功率放大器通过输出变压器有极其良好的扬声器驱动能力，音色优美柔和、乐声分析能力好、在具有良好的动态表现能力范围时要求的输出储备功率不很大、在存在着少量(例如3％以下)的非线性失真和谐波失真时，对重放音响的音质、音色的听觉影响不明显等等使用效果上的优点，所以，电子管电声功率放大器还占据着高保真音响电声功率放大器的高层。
半导体管电声功率放大器具有内阻小、放大线性较好、能量转换效率高、没有附加的功率消耗、电压利用率几乎可以达到100％、发热量小、体积重量小和寿命长等显著优点。本应是高保真音响设备里电子管的最佳替代，可是其驱动扬声器重放的音响却有声音干涩生硬——即在音响界被称之为所谓“晶体管声”的现象、乐声分析能力差、要得到较好的动态表现时必须有很大的功率储备(目前多为数百瓦)、即使非线性和谐波的失真指标都极低(目前已可到0.1％至0.001％)时，重发出来的音质音色仍然让人觉得有明显的失真等一系列使用效果上的缺点；同时，由于需要的功率储备比电子管电声功率放大器(在达到同样的动态表现能力时)的功率储备大一个数量级，因此，半导体管的上述优点几乎大多丧失殆尽了，虽经数十年人们不断的努力设法克服上述问题，把用于高保真音响的半导体管电声功率放大器电路搞得十分复杂、电声技术指标达到远比电子管电声功率放大器优秀得多的程度，可至今还是未能解决实际使用效果上的上述问题，这就造成了所谓半导体管电声设备的音响效果不如电子管好的偏见，并使得近二十年来电子管在电声音响设备方面卷土重来。
为什么半导体电声功率放大器尽管其技术指标比电子管电声功率放大器优越得多，却在高保真音响中没能产生令人满意的使用效果呢？本发明以为其原因在于对半导体管的应用理论上人们被旧观念束缚，而没能深入地认识电声高保真音响重放方面的本质问题及其在半导体电声功率放大器应用上的影响。
电声学理论早就指出；必需保持电声信号良好的相位同步，才能良好地驱动扬声器真实地重放音响。然而人们在设计和使用半导体管电声功率放大器时却忽视了这一点。半导体管自从诞生之日起，由于其内阻小，所需工作电压低、初期半导体管产品的耐压指标也不高，因此在当初研究半导体管应用时一直是把它作为低电压、大电流的电流输出器件对待的，特别是在OTL半导体管电声功率放大器出现后，由于可以省去笨重的输出变压器直接驱动低阻扬声器(这一点是电子管做不到的)，进一步巩固了半导体管作为电流输出器件使用的观念，直至今日，低输出电压(零点几伏至数十伏)、大输出电流(数安以至数十安)的运用状态仍然是半导体管线性大功率电路的典型应用理论。而电子管因为其内阻大、所需工作电压高和耐压也高，因此一直作为电压输出器件运用，输出高电压(数百伏)、小电流(数毫安至数百毫安)、必需经过输出变压器驱动低阻扬声器。恰恰是这两种器件在应用理论上被不同对待的缘故，使得全世界的人们在设计半导体管高保真电声功率放大器上始终沿习着低电压、大电流的应用思想，尽力设法用各种电路设计去降低、改善和弥补半导体管电声功率放大器的缺陷；这种努力使得在技术指标上半导体管电声功率放大器达到了几乎苛刻的极限(例如失真度已可达到0.001％、通频带从直流到数百千赫兹、输出功率可达数千瓦)程度，可是通过扬声器重放出来的音响却始终不能摆脱上述的缺陷，无法和技术指标上远不能达到那么完善的电子管电声功率放大器比美，而消耗功率却成百倍地增加、发热量、体积和重量也激增，使得半导体管原本具有的大部分优点都被消灭了。
在近二十年里，半导体管的耐压有了显著的提高，但是这些高耐压的半导体管主要是为用于开关电路(如高压开关电源、电视机行输出等)而设计生产的，而不是为线性放大使用的；在一些应用半导体管电声功率放大器的电子产品中也曾出现了较高电压下工作的设计尝试，例如在有一部分电视机的伴音重放电路就把半导体管的工作电压设计在一百伏，这类应用已经接近半导体管电声功率放大器在重放音响效果问题上的突破点，但是，并未予以应有的深入研究；在注重高保真重放音响的设备应用上仍然把半导体管作为低电压、大电流的电流输出器件来对待和使用的。
由于用于重放电声信号的扬声器目前基本上是由电感元件(音圈)产生驱动力的，而众所周知，电流信号在经过电感元件时会出现90°的相位滞后现象，因为现有的半导体电声功率放大器都是电流输出器的形式，而且电流信号和电压信号的强度是处于相近数量级的(甚至有时电流信号大于电压信号)，用这样的半导体管电声功率放大器去驱动扬声器，大量的电流信号相位滞后(也可以看成是电压信号相位超前，总之通过扬声器音圈的电压信号与电流信号的相位是不同步的，)造成了扬声器发声振动的干涉混乱，由此产生许多不应产生的声音崎变；同时这种电流信号在扬声器音圈上出现的大强度滞后变化，必然会严重地削弱音圈的振幅驱动能力，在这种状况下，要达到同样的动态表现(振幅)就需要大得多的驱动功率。所以，尽管半导体管电声功率放大器的技术指标几乎已达完美的程度，重放出来的音响，却声音干涩生硬、乐声分析能力差、听觉失真明显、还极大地限制了扬声器的动态表现能力；在这方面一个有力的佐证是在极小功率的半导体电声放大器中，例如微型收音机、录放音机(WALKMAN)中用以驱动微型耳机的半导体管电声功率放大器的重放音响效果，所谓“晶体管声”的现象就没有那么明显，无论是音色、动态、失真度的听觉效果、乐声分析能力都较好，就是因为在极小功率输出时，半导体管工作于电压输出器件状态，输出电流信号远小于电压信号，电流的相位滞后影响就小了；而电子管电声功率放大器因为是电压输出器，输出的电流信号要比电压信号小4-5个数量级，输出变压器和扬声器又可以等效为一个电感，在驱动扬声器时电流信号相位滞后影响就几乎可以忽略，所以电子管电声功率放大器就能具有出色的扬声器驱动能力。
基于上述认识，本发明提出(并已通过实际验证了)一种新型的半导体管高保真电声功率放大器，它能具有出色的扬声器驱动能力，在重放的音质、音色、乐声分析能力、失真度对音质听觉的影响上及动态表现能力和输出储备功率比例上，均达到或优于电子管电声功率放大器的高保真重放音响效果，并达到克服数十年来高保真音响界所谓半导体管的音响效果不如电子管的好这一偏见的目的。
本发明的原理阐述如下；
现在的半导体管的耐压已经能达到数千伏以上了，把半导体管作为电压输出器件对待，让它工作在高电压(数百伏至数千伏)、小电流(数毫安至数百毫安)的状态，驱动扬声器重放音响来构成高保真电声功率放大器；由于半导体管的内阻小、电压利用率高且放大线性比电子管更均匀，因此是一个性能上远优于电子管的高效率、高质量电压输出器件，用它构成电声功率放大器，在高保真重放音响方面无论音质、音色、乐声分析能力、失真度的听觉效果上及动态表现能力与输出功率储备的比例上都完全能够达到或优于电子管高保真电声功率放大器。
该应用理论各类(例如A类、B类、AB类等)单臂或推挽放大器及各种半导体器件都能适用，并且都能达到上述的效果。
和现有的半导体高保真电声功率放大器比较，本发明具有如下优点；本发明驱动(同一)扬声器重放音响不再有所谓“晶体管声”，音色优美柔和、乐声分析能力极强、听觉失真极小，满意地达到了高保真重放音响的目的。
本发明驱动(同一)扬声器满足音响动态表现能力时不需要很大的功率储备比例(可以和电子管电声功率放大器一样)，因此使半导体管电声功率放大器重新具有了半导体管本应特有的能量转换效率高、消耗功率小、发热量小、寿命长的显著优点。
本发明驱动(同一)扬声器高保真地重放音响时，不必要具有已有的半导体管电声功率放大器中为了追求所谓“高保真”而使用的复杂的电路设计和在电声技术指标上达到的如此严苛的要求，因此，电路设计可以简化几乎和电子管的电路一样简练；对构成本发明产品的元器件的要求也较低，所以，设计、生产的费用都可以降低。
和现有的电子管高保真电声功率放大器比较，本发明具有如下优点；本发明驱动(同一)扬声器重放音响的音质音色、失真度听觉效果、相同功率储备下的动态表现能力、乐声分析能力各方面均能达到和优于使用同类水平元器件构成的电子管电声功率放大器水平(需要指出；由于现有的高耐压半导体管都是用于开关电路而设计和生产的器件，其性能并不是为使用于高保真电声功率放大器的，特别是其放大系数的线性并不很好，可是从本发明的实际验证中已取得的效果，均已达到了目前高档电子管音响设备的高保真电声功率放大器的音响效果水平，其中乐声分析能力甚至更为优秀；如果将来能够有专为线性功率放大而设计生产线性好、高耐压、小电流的大功率半导体器件用于本发明的产品上，则可望达到的性能和效果会更进一步提高；另外，从后面所附实施例图中可以看到实际验证中使用的电路是十分简单的，是从半导体管诞生以来就使用的最典型功率放大器电路，如果生产本发明的产品时再加以完善，那么所取得的效果将会进一步获得提高)。
本发明的能量转换效率高，没有附加功率消耗，发热量小，寿命长线路简单、生产成本也低。
本发明的实施方案十分简便，在具体电路上与典型的半导体管电声功率放大器基本电路的唯一区别(但也是本质上的区别)是将半导体管作为电压输出器件使用，使它工作于高电压(数百伏至数千伏)、小电流(数毫安至数百毫安)的状态，它的负载相应地也要提高。
本实施例中只举出了单臂A类功率放大器的应用，所使用的器件也只以双极器件为例，事实上，本发明可以应用于单臂或推挽的各类功率放大器上，所使用的器件也并不局限于双极器件，均不应被视为是超出本发明的创新。
图面说明附图
是本发明的电原理图(图中所有电路均是已有技术，唯有功率放大输出级的工作状态改变了，因此，图中除功率放大输出级外都以方框图示出)。
图中音频电信号从输入端1输入，经前置放大级2、音调控制级3(非必需单元)、功放驱动级4(非必需单元)放大后，通过耦合电容5施加于功率输出级半导体管6的基极上，电阻7、8、9构成了典型的半导体管工作点稳定预置电路把半导体管6的工作电流限定在小电流状态(具体电流值由要求的输出功率决定，原则上是越小越好，本实施例是50MA)，电容10用以旁路电阻9两端的音频信号，电压为数百伏至数千伏的高压电源11通过输出变压器12的初级向功率输出级半导体管6供电(原则上供电电压越高越好，只要不超过该半导体管集电极-发射级耐压的一半，在本实施例中是350V)，被放大的音频电功率信号(主要是电压信号)由半导体管6的集电极通过输出变压器12驱动扬声器13产生重放音响，反馈电路14(非必需单元)将输出的音频信号反馈到前置放大级2(或功放驱动级4)，可以进一步改善放大器的电信号技术性能；除功率输出级6以外，其余各级均由输出电压为数十伏的低压电源15供电，电路十分简洁，可用于各种电声音响重放装置。
权利要求
1.一种新型的半导体管高保真电声功率放大器，电路由前置放大级、(音调控制级、功放驱动级)功率输出级和(反馈单元)电源组成，其特征是必有不少于一组的输出电压为数百伏至数千伏的高压电源为功率输出级的半导体管供电，工作在功率输出级的半导体管的工作状态从过去沿习的低电压(数伏至数十伏)、大电流(数百毫安至数百安)的电流输出器状态改变为高电压(数百伏至数千伏)、小电流(数毫安至数百毫安)的电压输出器状态，消除了过去半导体管电声功率放大器因为输出大的电流信号在感性负载(扬声器音圈)上产生的电流信号相位与电压信号相位不同步而造成的音响重放效果不良的现象——声音生硬干涩、失真度的听觉效果明显、动态表现能力减小而所需输出功率储备大增等一系列缺点，使重放音响效果达到和超过使用同水平元器件构成的电子管高保真电声功率放大器的效果；同时恢复了半导体电声功率放大器的电功率消耗小、效率高的优点。
2.由权力1所述的半导体管电声功率放大器可以由工作于A类、B类、AB类等各类有输出变压器或无输出变压器的单臂、推挽式放大器组成。
3.由权力1所述的半导体管电声功率放大器可以用各种半导体器件构成。
全文摘要
一种新型的半导体管高保真电声功率放大器。过去的半导体管高保真电声设备尽管电信技术指标已经很高,可是重放的音响效果却比不上指标远没那么完美的电子管设备;把半导体管从过去的低电压、大电流的电流输出器件工作状态改为高电压、小电流的电压输出器件工作状态,用于电声功率放大,可使重放的音响效果达到和超过电子管设备,而且效率高、发热少、体积重量小和寿命长、成本价格低;克服了认为半导体管音响效果不如电子管好的偏见。
文档编号H03F3/20GK1170989SQ97103639
公开日1998年1月21日 申请日期1997年3月25日 优先权日1996年5月8日
发明者贡小鸿 申请人:贡小鸿