误差反馈0dB功率放大器

IIi 制 作 室 — I二! 查垄 误差反馈 0 d B 功率放大器 现代晶体管音频功率放大器 一 般由输入级、中间电压驱动级 和输出级三大部分组成。前两部 分主要提供高增益的电压放大， 并为大环路负反馈提供必要的环 路增益。输出级几乎都采用电压 增益 1的互补射极输出器，主要 完成电流放大。电压和电流放大 相结合，为负载提供必要的输入 功率。 在功放电路中，输出级的振 幅大、输出电流大，并以阻抗复杂 多变的扬声器为负载，是最容易 出现各种失真的一个环节，但降 低输出级失真的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 不多。通常， 除了仔细选管配对之外，就是对 输出级晶体管加以适当的偏置了。 其中，最简单的是利用单个晶体 管或数个二极管作固定偏置，但 降低失真的效果有限。复杂一些 的有新甲类、超甲类等名目繁多 的动态偏置，然而实际效果也好 不到哪里去。因此大多数 Hi Fi 功放基本上还是采用最简单的固 定偏置电路 ，然后通过包括电压 放大级在内的大环路深度负反馈 来降低输出失真。 不过，如果负反馈量不够大， 输出失真就会比较大，达不到设 计要求。如果加大负反馈量，往 往可能带来副作用，轻者使功放 的瞬态特性变差而影响音质，重 者引起电路工作不稳定甚至 自 激，最终还是影响到了音质。应 该说，上述情况在功放的设计， 2008年 第 1 2期 陆全根 尤其是业余制作中是相当普遍存 在的矛盾。 当然，解决功放失真和稳定 性之间矛盾的思路也是众所周知 的。就是先尽量设法减小功放各 级本身的失真，这样也能用较少 负反馈达到深度负反馈时同样的 输出失真，从而可以较好地避免 深度负反馈带来的弊端。但是由 于前面提到的降低输出级失真的 办法不多，以致我们看到的功放 电路中更多的是改进电压放大级 的失真措施，而输出级几乎是相 同的程式，让人看起来有点虎头 蛇尾的感觉。 本文介绍一种为降低输出级 失真而提出所谓失真校正技术及 其在输出级中的实际应用电路， 供读者仿制参考。 一 ． 失真校正的概念 要减小功放的失真，一般的 方法是从各种失真产生的机理人 手分析，然后一一研究找出加以 克服的办法来。这种方法具有针 对性，但比较烦琐，而且不能对各 种失真用统一的方法加 以处理 ， 应用时容易使电路复杂化。 负反馈技术则是一种不管失 真原因而减小失真的方法，因而 可能用统一的方法降低各种 (不 是全部)失真。例如，谐波失真和 频率失真的产生原因并不一样， 但都可用负反馈降低。而且，同样 是谐波失真或频率失真，不管它 们在放大器内的什么地方或以什 么原因产生，只要包含在负反馈 环路内，都能被负反馈所减小。可 见，负反馈降低失真的功能十分 强大，使用却十分方便。 下面介绍的失真校正技术， 与负反馈技术一样，也是一种不 管失真原因而减小失真的方法， 但又有其自己的特点。在失真校 正电路中，把出现在输出信号中 的失真成分看成是放大器所产生 的放大 “误差”。因此 ，放大器的 输入信号与输出信号之差 (即误 差信号)等于0， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示无放大失真， 如果误差信号不为0，说明产生了 放大失真。不难理解，如果取出误 差信号，并以准确的比例和相位 反馈到输入信号中去，就能抵消 掉放大中所产生的 “误差”，从理 论上说可使放大失真为0。从这一 简单说明可知，上述失真校正实 际上是一种利用失真产生的误差 信号去抵消失真的方法。这一概 念最早出现在1941年的美国专利 中。20世纪80年代初，英国电子 工程0NMalcolm Hawksford对此 概念加以扩充，并提出了校正功放 输出级失真的一般化框图如图l 所示。 图l中N是功放的输出级。采 用一个运放取出N的输入与输出 信号之差 (误差信号)，把它作为 校正信号，然后通过网络a以正确 的相位和比例与输入信号 (U ) 相加，从输入信号中抵消N所产 29 ⋯Ill—I P1ifl；11 u1作 窜 —————————1—●I▲ 一 币q}：量 图 1 校正失真的原理 生的放大误差。这叫误差反馈 ，也 是上面刚解释过的失真校正所用 的框图。 另外， 1中取出的误差信号 还呵通过例络b与N的输出信号 相加而从其输出信号中抵消N所 产生的放火误差 ，这叫误差前馈。 显然，可以 时采用误差反馈和 误差前馈。不过为求简单，实际电 路只用其中一种反馈，已能较好 地达到降低失真的目的。 二．误差反馈 本文后面介绍的0dB功率放 大器，实际上就是一个功放输出 级电路，它采用互补射极输出器 作电流放大，其电压增益G—l (0dB)。由于它前接电压放大级 就能作大功率放大，故常称0dB 功率放大器。 为求简单，这个功率放大器 只采用 差前馈的方式来降低失 真。下面先从施加误差反馈前后 的框图来比较一下它们的输出信 号与输入信号之问的关系有什么 不同，如图2所示。 输出级 N未加误差反馈时的 框图如图2(a)所示。显然，N的 输出信号U ．．与输入信yu 之间 的关系为 U O／It GU (1) 式中G为输出级N的电压增 益。由于N是互补射极输出器，故 G 1。尤其值得注意的是G会随 30 信号频率、电平和负载特性的变 化而变化，在极大多数情况下，输 出与输入信号并不相等。两者之 间存在误差，也就是产生了失真。 因此，可以把输出级N产生失真 的原因简单地归根于 G≠l而引 起的。反过来'【兑，如果有办法使G 恒等于 1，那么式 (1)就变成 U U 即N的输出信号完全等 于输入信号，完全没有失真。有趣 的是采用误差反馈至少从理论上 能够达到这一目标。 根据图l原理 ，对输出级N采 用误差反馈后的框图改画成便于 说明的形式，如图2(b)所示。图中 U 是N的有效输入信号。U 与 U 仍遵循式 (1)的关系，即U 仍受G(≠1)的影响，但通过引 入Sl和 S2构成的误差反馈回路 后，可以使U =U ，结果整个电 路等效干G=l。分析图2(b)各处 信号之间的关系很容易得出上述 结论。 图2(b)中Sl和S2是增益 为 l的理想加法器。S2的作用是 从输出级N的输出信号U l1l 减 去输入信号U ，也就是取出N产 生的误差信号 U ，即 U = (U ～ ) ()out U 2 s1的作用是从外加输入信号 U 中减去误差信号U ，得到N的 U ＼ U。 一 一 (G 1) (a) (b) 图 2 误差反馈原理 净输入信号U ，即 U 。 一 U 一U (3) 现在把式 (2)代人式 (3)得 到 U =U (Uo．~-U。) (4) 从此式中消去u。(=U l／G)， 即得 U =U (5) 由上可知 ，通过误差反馈，不 仅从输出与输入的关系式中消去 了增益项 G，而且使整个输出级 的增益等效于恒等于1，实现了不 失真的理想放大。 当然，实际是达不到理想情 况的，因为组成加法器的电路有 它自身的非线性，而且这种非线 性也会随信号频率而变，使得校 正的结果也随信号频率而变，并 不能完全把N产生的失真完全抵 消掉。尽管如此， 面将会看到它 仍能明显地降低输出级的失真。 三．互补射极输出级 尽管输出级采用“误差反馈” 后能明显降低失真，但还是要仔 细设计。图3为输出级基本电路。 十分清楚，输出级采用了三垦公 司的达林顿互补管sTD0 3N／ STD03P。由于它fl’1内置了驱动 管，简化了外围电路，也省却了另 外选择驱动管带来的麻烦。 选用上述达林顿管的更主要 原因，是为了进 一步改善输出级 的温度补偿效果，特别是提高它 补偿的瞬态跟踪能力，保证输出 管稳定地工作在最佳条件下，降 低 “热失真”。 最常用的温度补偿方法是 ， 用 --只晶体管接成U 倍增器，把 它安装到输出管的散热器上，以 对输出管的静态电流进行温度补 偿。这种方法也常用于高端功率 2008年 第 1 2期 R36 R37 U。 Ft41 R40 圭c11 一 一 o1 E )2O C B — l／ o16 I z STD03 C7二 二 =2 0f ] “R19 " C15l I u -7 lE ：t60 0 上 一 R55l 80 r D E C8二 一 一 叫 ] 7 7 C16l D 11 一 Q15 I 一 一 STD0： B 一 _＼ 。18 一卜 o11 C 一 = C12 [ R42 l _ R43l J - - R35 R38 UN 图 3 输出级基本电路 放夫器中。／f 过从更高要求看还 有不足之处。 (1)输出管静态电流升高时， 输出管芯片温度升高，要通过大 块散热器的温度变化再去影响温 度补偿晶体管芯片的温度，从而 使之作出补偿作用。这一过程的 中间环节过多，温度补偿作 }=}j滞 后过大。反观STD03N／P达林顿 管，作为温度补偿的二极管与驱 动管、输出管封装成一体后安装 住散热器上，能明显改善输出级 的温度补偿速度。 (2)温度补偿是通过晶体管 的U 特性来实现的。 类型输 出晶体管的U 特性有所不同。要 达到良好的补偿作用，要求温度 补偿用的晶体管的U 特性尽量 接近输出管的U 特性。显然，两 2008年 第 1 2期 者很难取得良好匹配，尤其是业 余制作中更难做到这一一点。 反观 STD03N／P达林顿管， 它采用多个二极管进行温度补偿， 而且对 N 型管使用 一个硅二极 管，埘P型管使用5只肖特基二级 管分别进行补偿，这样可使补偿 效果更为精细。实际上，U 特性 与流过晶体管、二极管中的静态 电流也有关系。为 _r取得更好的 温度补偿 ，STD03P／N要求输出 管静态电流为40mA，而流过补 偿 ：极管的电流为2．5mA。 由上可知，选用内置温度补 偿 极管的达林顿输出管，尤其 对业余制作来说是十分合理的。 从图3可以看出，流过补偿_二 极管的电流也流过RV1，而后者 是输出管静态电流的微调电阻， H i制 作 窜 — _二! 垄 所以保持这一偏置电流稳定不变 十分重要。为此，图3电路中采用 了Q19、Q20和Ql8、Qll组成的 镜流源电路来提供这一电流，并 可由R44微调。而镜流电路又由 D10、Dll稳压二极管供电。为 _『 防止信号大幅度变化时引起的电 源电压u (+)和u ()变化 而影响D10~nD1l的稳定电压 ，使 用了C】】、C12~11R35～R38组成 的自举电路 ，即把 C11和 Cl2的 连接点按到Dl0和D1l的连接点， 从而较好地保证D10、Dl l两端电 压在其供电电压 (U ／U )有较 大幅度变化时仍能保持基本不变。 输入信号的正负半周是经 R60后分别山Rl9和 R20加到互 补达林顿管的基极予以驱动的。 在DC；~H中低频范围内，达林顿管 的增益较高。但随着信号频率的 提高，其增益有所下降。为了平衡 高、低频时的增益差异，在R19和 R20上分别并联电容器C7和C8， 以通过减小 1R19和R20的阻抗来 增大高频时的激励信号达到平衡 作用。 四．电流传送器 确定输出级电路后，就可以 根据图2的框图来安排误差反馈 部分的电路了。对输出级 (N)实 现误差反馈的方法是，首先取出 输出级净输人电压 (U， )与输出 电压 (U )之差信号 (u )，然 后再把这个差信号与输出级的外 部输入信号 (U )相加而形成输 出级的 “净”输入信号 (U )。 要对信号实现加加减减 ，使 用普通的运算放大器最为方便。 例如，用一个运放 (作为图2中的 s2)从U 中减去U 而得到U ， 然后用另一个运放 (作为S1)把 31 ! 查 ⋯HImI．1i；Iiq作窜 —————————-’■■_▲ l币q I ! U ，加到U．．．中去而得到U 并直接 作为输出级的 “净”输入信号即 可。不过，普通运放都是在负反馈 的前提下工作的。尤其是在图2中 的Sl和S2要求其增益为 l。也就 是说，要求运放在深度负反馈下 工作。这与应用误差反馈的设计 思想有所冲突。为避免在负反馈 条件下实现误差反馈，下面先说 明电流传送器的一些概念。 电流传送器 (C u r r e 13 t Conveyer)的外部特性可用图4 来表示。这里采用第二代电路，故 简称CCⅡ。它的内部电路结构后 面有简单的说明，这里先用一个 方框来表示。它是一个类似于运 放那样的有源器件，需要正负电 源才能工作。不过这里只画出它 的3个外接端子。像运放一样它有 两个输入端子 (x、Y)，一个输 出端子 (Z)。 Y为电流输入端 ，其输入阻 抗为0；z为电流输出端，其输出 阻抗为O0；X为参考电平端，其输 入阻抗为oo。X瑞的作用是为Y端 提供一个基准电压，使Y端上的 电压保持与x端上的电压一样。 输入Y与输出Z的关系是：输入Y 端的电流都将从Z端反相流出， X端输八阻抗=一 Y端输入阻抗一0 z端输出阻抗=一 Ux= Iz=一I (a) 产8 I =(U⋯U )／R1 }z= u =Iz X R2={U U )×R2／R1 (b) 图 4 电流传送器的外部特性 32 其工作情况好像一个电流源，把 输入端子上的电流传送到输出端。 以上特点归纳在图4(a)中。 下面来看一个 CCⅡ将在后 面误差反馈中出现的用例，如图4 (b)所示。如果x端加有参考电 压U ，那么该电压也将出现在Y 端。现在有一信号电压U 经电阻 R1加到Y端，则流入Y端的电流 为 IY= (U U硝)／R1 该电流也将在 Z端流出。如 果z端直接接地，即有I，=I 。这 样就把输入信号电压转换成信号 电流。如果在 Z端对地接一电阻 R2，就可以把z端信号电流重新 转换为信号电压。z端的输出电 压 U 将为 U =I × R2=I、 ×R2= 0ut Y (U ～U ref)×R2／R1 由此可知 ，只要改变比值 R2／R1，就可以改变电流传送器 的电压增益，实现信号的放大或 衰减。值得注意的一点是，其增益 的设定无需借助负反馈来实现， 而在使用方面却像普通运放一样 方便。图4(b)电路还可实现两 个信号的相减 (即取出两个信号 之差)，为此只要取R2 Rl即取 增益为1时，其输出电压即为两个 输入端电压之差。 五．应用实例 电流传送器 (CC II)用于输 出级实现误差反馈的框图如图 5 所示。图中U4是添加于图3输出 级之前的一个缓冲级，用来把输 出级的非线性输入阻抗与误差反 馈回路隔离开来。U4的输入信号 就是输出级的净输入信号U 。 CC 1I的x端接U4输入端的 U ，Y端的信号电位也是 U。。Y 端还通过电阻R 34接输出级的 U ⋯ 。 这样，在R34两端加有误差 信号电压 (U ，，U )，流入Y端 的电流大小反映了输出级误差信 号的大小。 CCⅡ的输出端Z通过R25与 外加输入信号串联，如果u⋯内阻 很低，相当于R25一端接地。如 果R25的阻值取得与R34一·样大 小，则Y端的输入电流即z端的 输出电流在R25上的压降恰好等 于从输出级取得的误差电压。它 从外加输入信号中抵消掉输出级 所产生的失真，整个过程十分简 单。 现在的问题是U451~CCⅡ该 用什么电路的问题。实际上可以 用一块电流反馈运放来一举加以 解决。图 6是 电流反馈型运放 AD844的内部简化电路。这个运 放与我们常用的电压反馈型运放 一 样有同相输入③和反相输入② 两个输入端。区别在于其反相输 入端的输入阻抗很低，以便由此 端加入电流负反馈。因此其②脚 作为CC II的Y端，而输入阻抗 图 5 电流传送器用于误差反馈的原理 图 6 AD844内部简化电路 高的③脚则作为 X端使用。 AD844还提供了一般运放所 不提供的端子⑤脚，在这里却大 有用处。⑤脚是AD844内部电流 源 (镜流电路)的电流输出端，又 是其内部输出级的输入端。对照 图5中U4和CCⅡ的连接方式可 以看出，U4可以使用 AD844的 ⑤～⑥脚之间的输出级来代替， 它的输入阻抗高、输出阻抗低，十 分适合作缓冲级。CC Ⅱ则可用 AD844②、③、⑤脚之间的输入 级和中间级部分的电路来代替。 一 块现成的运放物尽其用，再合 适不过了。 Hi_F 制 作 室 — ．二 奎垄 还要指出，在图6中从Z端输 出的电流与从Y端输入的电流是 反相的，如图4(a)所示中的关 系式表示的那样。 图7是 0dB功率放大器原理 图。其输出使用两对达林顿管 STD03N／03P并联工作，额定输 出功率的目标是 1 00W／8 Q及 200W／4 Q。如果是纯电阻负载， 采用一对已经足够。但当使用扬 声器作为负载时，随着信号频率 的不同，可能呈现感性或容性负 载，特别是音箱采用LC分频网络 图 7 0dB功放原理图 33 _二! 友1 1⋯11--¨制1 室 —————————1●■_▲ 1币U|：呈 时将会引起输出电压与输出电流 之间产生相移，使得输出管实际 耗散功率火为降低 ，为此需要两 管并联j二作。由于多加了一对输 出管，也要增加相应的偏置电路 (Q14、Ql7等)。综观整个输出级 电路元件数量及其复杂程度，大 致 卜与带有输入级和中间电压放 大级的一般功放相当，这就是采 用误差反馈要付出的代价。是不 是值得，则因人而异了。 图7中电路元件的作用大部 分在图3 }】已作过说明。主要变化 只是用AD844把图3中的U4和 CCⅡ代换 卜来。也就是说 ，这里 的 AI)844并不作为 般运放使 用，其信号流程如下。 外加电压驱动信号经 R25、 C3并联网络加到AD844的⑤脚， 经其输出级缓冲后由⑥脚经R60 币¨ C6、C7、C8、C13、R19、R20、 R30、R31分别驱动两对输出管。 其中C3的作用是减小高频时R25 的有效阻抗，防止误差反馈同路 高频相移过人造成电路工作不稳 定。R30接 AD844的输出端 ，其 作用是提高电路对容性负载的工 作稳定性。 插座 Ll10为功放保护电路提 供所需的输出管U 和I，信息、。 8是这个 0dB功率放大器 增设 差反馈前后的失真特性曲 0 2 0 1 口 工 0 O1 0 005 0 002 O 001 无误 差反馈 图 8 增设误差反馈前后的失真特性曲线 线。它本身的线性相当好，加了 “误差反馈”后则更好。 六．制作要点 达林顿管发射极电阻R52～ R54采用5W水泥电阻。输出端防 振网络电阻R64、R65采用2W金 槿膜电阻。输出管静态电流微调 电阻RV1、RV2采用多圈微调电 位器。其余电阻均采用 0．25W金 属膜电阻。还要注意 ，R 19fHR20、 R25和R34要采用尽量配对的精 密电阻。 电容的选择要注意它埘音质 的影响。输入端的c3用聚丙烯薄 膜电容。C6～C8和 C13 量采 用优质电容器，由于其容量大 (1 F)，可选用体积小的金属箔 薄膜电容。微调电位器 (RV1、 R V 2)和0．5 w 稳压二极管 (Dl0、Dl1)的旁路电容可选陶 瓷电容。 输出端电感L1的电感量要求 并不严格。例如 ，可用① 1．0ram 漆包线在15ram线圈架上绕20匝 后脱胎成空心线圈。此外，输出端 要加 一个继电器保护电路，可按 一 般电路自行制作。当然，输出管 要装在大型散热器上。 功放的电源电路如图9所示， 它供左、右两个声道共用。由 j：要 求功放的输出功率为loow(8Q)X 2及200W (4 Q)×2， 此电源 变压器的容量要求达到 600VA (伏安)，并采用 15A以上的桥堆 作全波整流。如果图示的电源仅 供一个声道使用，那电源变压器、 保险丝、整流桥堆以及C1／C2的 容量均可减小一半。其中，整流桥 堆也可用整流_二极管1N5404×4 代_}=H，有利降低成本。 图7功放的渊试，。|要是设定 输出级的静态电流和流过达林顿 管中温度补偿二极管的电流。按 要 求 ，输 ⋯级 静 态 电流 应 为 40mA，温度补偿二极管电流应 为2．5mA。为此，先iERV1和RV2 的阻值调到40 Q。然后接通电源 用数字万『f】表检测RV1 flIRV2两 端 的 电压 降 。如 果 压 降偏 离 100mV，!J!IJ应调节 R44的阻值使 上述压降为 100mV，则流过补偿 二极管的电流为2．5mA。接着检 测达林顿管发射极电阻(0．22Q) 上 的 压 降 。如 果 此 压 降 偏 离 8．8mV，则 节相应的 R V1和 RV2，使之达到 8．8mV，则输出 管的静态电流就是 40mA。待20 分钟后冉复测微调 I'-HIJ~f。 最后，为了充分驱动这个功 率放火器，其前面应加 一个电压 驱动级，要求它有较低的输出阻 抗和较大的输 出电压摆幅 (约 30V )，增益约为 30dB。 9 电源电路