简单好声10W的A类放大器

zxy29 · 发表于 2004-5-9 06:04:00

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简单好声10W的A类放大器
在过去几年中，一些优秀的家用音频放大器设计己见诸于世。然而，这些设计有些己经因元器件的不可获得而淘汰，另一些试图提供过高的输出功率水乎、都超过了昔通客厅的听音需要。此外，大多数的设计往往是相当复杂的。
在这种情况下，看起来值得考虑一下既满足充足的输出功率又拥有无可挑剔的性能表现的设计可以变得多么简单，而这项研究的结果正是本文所呈现给读者的设计。
输出功率和失真
由在Mullard“5-10”真空首放大器的风靡一时这种现象可以看出10瓦的输出足以满足正常听音需求：事实是，当两个这样的放大器作为一对立体声音响使用时，使用灵敏度适中的扬声器满功率输出时的音量可以大得惊人。
原音频放大器的谐波失真标准是由D.T.N.威廉姆森在发表于1947年和1949年《无线世界》的系洌文章中制定的：那个标准，指出在额定功率输出时小于0.1%总谐波失真，已被普遍接受成为商品质的音频功率放大器所追求的目标。既然真空然管音频放大器设计的主要问题在于很难从输出变压器获得足够的性能，并且现代晶体官电路技术允许无输出变压器功率放大器设计，在这种情况下追求一个稍高的标准卷来是可行的在30HZ-20KHZ频率范围以全功率输出总谐波失其0.05%。这也爸味著，其输出功率在这个频率范围内是恒定的。
电路设计
作者知道的笫一个接近“威廉妞森”放大器的性能标准的无变压器的晶体管设计，是由Tobey和Dinsdale在1961年在无线世界发表的。这个设计釆用了B类输出级，和串联准互补对称的品体管。随后的高品质的晶体管功率放大器基本上都倾向于按照那篇文章所述的设计原则。

这种类型的放大器的主要优点是正常的静态功耗很低，整体电源转换效率高。不幸的是这种设计也有一些固有与生俱来的缺陷，因为在推挽对管的两臂的响应本质的不一致所引起（如果互补对管被安排成非对称的），加上一些由IC/VB转性带来的交越失真。前人，持别是Bailey，已经做了很多工作以消除后者。

B类输出级的另一个特点是，输出晶体的电流需求随着输出信号的增加而增加。这可能会降低输出电压和恶化电源的平滑性，除非电源设计良好。同时，由于电流随着输出功率而增加，有可能产生一个瞬间过载驱动输出晶体管进入热失控状态，特别是当负载是反应式的，除非采用适当的保护电路。这些要求相结合起来，就增加了电路设计的复杂性，使得一个设计良好的低失真B类功率放大器器制作出未不再是简里的或廉价的。
设计既具有良好性能又简里易于制作的晶体管功率放大器的另一种方法是将输出晶体管设置成A类。这就避免了非对称的准互补电路带来的的问题，瞬间过致导致的热失控、交越失真、以及电源电流随信号变化而不恒定。但是，A类比B类电路效率较低，输出晶体管必须安装在大散热器上。
A类放大器的基本架构包括一个带有合适的集电极负载的晶体管。使用一个电阻是一个可行的解决方案，如图1（a），但此时转换效率至多只有约12%。—个 l.f.电抗器，如图1（b）所示，将提供更好的效率，但合适设计的组件笨重且昂贵，而且放弃了无变压器设计的许多优点。使用的第二个类似晶体管作为一个集电极负载，如图1（c）将在尺寸和成本方面更方便，并允许负载有效地通过推挽方式来驱动，如果给两个晶体管提供幅度合适并且相位相反的输入。如果驱动晶体管的连接方式如图2所示，即可满足上述条件。

这种连接的方法，也使得设计满足了低失真放大器的一个最重要要求——放大器的基本线性度应该是好的，即使在没有反馈的情况下。有几个因素促成了这一点。输出晶体管的IC/VB的非线性倾向的特点要取消，因为在周期的一部分，在其中一个晶体管是接近截止时另一个就趋于饱和。在TR1、TR2、TR3组成的环路内部有一个负反馈的措施，由于Trl基地阻抗特性对TR3电流的影响。此外驱动管Tr3，需要提供一个大的电压摆幅，是工作在有利于低谐波失真的工作状态下——低输出负载阻抗，高输入阻抗。使用这种类型的输出级的一个实用的功放电路如图3。

该电路的开环增益使用典型的晶体管时是大约600。闭环增益，在频率高德足以使C3的阻抗相比R4可以忽略时，由（R3+R4）/R4的比值决定，在图3中，这一比值是13。这给定了该电路反馈系数34dB，以及约160毫欧的输出阻抗。
由于电路在直流时增益为1，并且C3包括在反馈环路中，输出电压Ve被保持在TR4基极电压加TR4基射电压降加TR4发射极电流经R3所产生的小压降的和。由于输出晶体管TR1将打开尽可能多的必要的电流将电压拉到此值，电阻R2（连同R1控制TR2集电极电流）可用于设置该放大器输出级的静态电流。显而易见地，通过微调R 5或R6可以设置到任何需要的值。当VE等于电通电压的一半时，将获得最佳性能。（半伏上下的偏离将只会稍微影响可获得的最大输出功率以及该放大器其它方面的特性，所以没有必要将这个设罝得非常准确。）
整个电路从前至后都采用硅平面晶体管，这提供了良好的热稳定性和低噪声水平。此外，由于没有互补对称的要求，整个功率级可以使用NPN晶体管，保证最优的性能和最低的成本。整体性能在10瓦的输出或在任何较诋的水平时，达到或超过威廉姆森指定的标准。图4-6所示是输出功率和增益随频率变化的曲线。图7所示是输出功率和总谐波失真之间的关系。由于该取大器是直截了当的A类电路，失真随输出电压的增加而线性减小。（B类系统不一定能做到这一点，因为可聪存在着显著的交越失真。）分析0.05%水平的失真分量在是很难的，但现在看来，不削波前的残余失真主要是二次谐波。

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