|
楼主 |
发表于 2004-5-7 16:04:09
|
显示全部楼层
1.设计思路:
功率放大部分的功能在于承接电压放大级传送过来的音乐信号,再把信号放大到足以推动喇叭的程度。功率放大级的线路可以有很复杂的设计(用CPU控制),也可以有很简单的设计(如直热式三级管Single Ended设计)。其并不做电压放大,主要的作用是以功率放大组件从电源供应部分摄取大量的电流,产生足够推动喇叭的能量。
功率放大级可以是由单一个放大组件构成,也可以由几个放大组件并联构成,通常会由几个放大组件并联构成,这样推动喇叭的力量才会足够。功率放大级一般就决定了整体电路是A类,B类,AB类还是单端放大的地方。设计中,分别考虑了这几种电路的优缺点:
Class A
A类放大。这是一种功率放大器的形式,每个放大组件(晶体管)负责放大一个“全波”(正半波与负半波相加),而且“随时持续”有足够大的电流导通,这就是A类放大。换句话说,在A类放大中,每个放大组件是随时都在导通工作的。依照这个定义,我们可以说凡是单端(Single-Ended)设计的功率放大器一定是A类,因为放大器组件负责放大全波,而且随时导通,而非互补的正半波与负半波放大方式,一个放大组件工作,另一个放大组件则休息。通常,因为电压放大级所需的静态电流(没有输入信号施加在晶体管的基级时,流经集电极的电流)很低,制作起来成本不会比其他放大类别高多少,因此几乎所有的电压放大级都是A类放大。而功率放大级所需的静态电流高很多,不仅会消耗很大的功率,产生很多的热,还会连带增加其他成本,因此若非必要,倒是很少把功率放大级设计成A类。
A类放大方式由于即使没有信号输入时放大组件依然消耗电能(放大组件上的静态电流至少要输出电流峰值的二分之一),所以效率很低(大约20%),电能大部分转换成热能,耗电凶,热度高,体积大。不过,由于组件随时保持在工作状态中,没有B类放大那种半波工作半波休息的交替互补放大所产生的交越失真(Crossover Distortion)。此外,由于A类放大的放大组件都拥有相同的偏压,使得每个放大组件的热度相同,让功率放大级更稳定,更线性,音质表现为各类放大之冠。
Class B
B类放大。信号放大任务分由一对放大组件以互补(Complementary Pair)方式分别放大正半波与负半波,这一对晶体管中的一个采用NPN型晶体管,另一个则采用PNP型晶体管。当负责正半波的晶体管工作时,负责负半波的晶体管则在“休息”,由于这两只晶体管不会动作,而是永远处于一个动作另一个则休息的交替状态。因此,当没有信号输入正半波或负半波的放大组件时,放大组件就没有施加工作偏压,也就没有电流通过,放大组件等于处在轮流休息状态。等有信号输入时,放大组件才又“醒来工作”。这种交替放大方式的好处是耗电少,电能转换效率高。但是因为它在正半波与负半波之间轮流交替“休息/醒来”工作,也就会在正半波与负半波相交的0点区域内产生交越失真。交越失真产生的脉冲尖峰含有许多高次谐波,会引发瞬态互调失真,这也是导致所谓“晶体管声”的主要原因之一。既然失真大,音质也就不如A类放大。
因为这种正半波负半波互补交替放大的放时,让电流好像一下子被挽(Pull)一下子又被推(Push),所以B类放大又称为推挽式(Push Pull)放大。
Class AB
AB类放大。综合A类放大与B类放大的优点而设计的电路,也是功率放大级最常见的线路。当信号没有输入放大组件时,仍然施以“适度”的工作偏压,保持“少量”电流持续通过放大组件。或者是音乐信号小的时候采用A类放大,音乐信号大的时候就转为B类放大,这种线路设计都应该称为AB类放大。AB类放大的好处是一方面在没有信号输入是不会消耗太多电能;另一方面则是因为放大组件上随时保留少量电流,让放大组件随时“半睡半醒”,不至于发生当信号通过时“来不及醒来”的问题。AB类放大通常可以达到50%的效率,又可以适度改善交越失真的问题,所以应用广泛。AB类放大也叫做推挽式放大。
Class D
D类放大。这种放大方式异于A类放大,B类放大或AB类放大,它是以很快的速度(至少是频率的二倍以上,例如20KHz时的放大组件每秒至少要开,关切换四万次以上)让所有放大组件做开与关的转换动作,藉以产生推动喇叭的电能。
Class G
G类放大。以两组不同高低供应电压提供功率放大级输出所需电压(一般放大器只有一组电源供应)的放大方式。
Class H
H类放大。这是G类放大的改良型,主要的工作方式是由输入信号的大小来自动调变最适当的电源供应电压。
其中,D类放大,G类放大和H类放大很少被用到;而A类放大,B类放大和AB类放大应用较为广泛,并且技术成熟,性能出色。所以,在这三种电路中确定设计方案。
在功率放大电路的设计中,还有一项很重要的指标:动态余量。它是指在正常工作范围之内功率还可以往上提升的能力。例如一部放大器正常使用时可以输出100瓦,但是如果有特别大的音乐信号输入时,它可以在很短的时间内送出200瓦的功率。此时我们说这部放大器的动态余量是2倍,也就是3db。是否保证一定的动态余量,对放大器的输出信号是否有足够的动态,顺态响应等指标其这关键的作用。
设计中,奉行简洁至上的原则,采用了纯A类的功率放大电路。尽管A类功率放大器存在耗电凶,热度高,体积大等不足,但因为A类功放在输入信号的整个周期内均工作于线性状态,失真最小,而且其失真成分以偶次谐波为主,与电子管相近,音质格外优美动听;又因为耳机一般灵敏度很高,推动耳机所消耗的功率并不大。所以在耳机放大器中设计A类功率放大器所用的成本并不很高,其缺点并不明显,而音质则格外出色。所以,在设计中采用了A类功率放大电路。还设置较高的静态电流,并且保证了较大的动态余量。
2.具体实现:
推动级,以及输出级采用了强制偏压的互补输出电路,并且采用了±30V非稳压的直流电源,有效降低了整体电路的输出内阻,并且从听感上,比电源加入稳压供电更加松弛,自然。
电路中选择了2N5551,2N5401和中功率管2SC5171,2SA1930组成功率放大级电路。2N5551和2N5401都属于低电流,高耐压晶体管。适用于高电压的功率放大。其fT最高值可到300MHz。配合的输出级中功率晶体管2SC5171,2SA1930的fT也达到了200MHz,保证了电路较高的频响范围。并且2SC5171和2SA1930的Ic极限值可达2A,为输出提供了充沛的功率。 2N5551和2N5401的工作电流可以通过对称调节两个10K的电阻来完成,电阻越小,电流越大。由2N5551的特性曲线图,选取静态电流线性好的范围。按照图中的数值,约为3mA。2SC5171和2SA1930的电流受2N5551,2N5401和22欧与3.3欧的比值来确定,电流约为(3毫安×22欧)/3.3欧=20毫安。如果把两个22欧的电阻换成33欧或100欧,2SC5171和2SA1930的静态电流大约为30mA和90mA。如果耳机阻抗比较小,就应该把电流调整的大一些,使功率储备更加充足,能够提供充沛的电流推动低阻抗的耳机。但其静态功耗也将变大,发热量更高。由于该电路只能工作在纯甲类状态,而且这时工作电流比较大,就要注意晶体管的工作温度,保证晶体管的安全。所以,要合理科学地选择静态电流,使其在保证音质的同时,工作温度不要超过75摄氏度,使其工作稳定。
120欧电阻与100p电容组成一容性负载,以抵销耳机的部分感性负载,防止信号突然变化时出现的较高的瞬时电压。
在整个电路中采用了大环路负反馈,改善电路性能。并且加入超前补偿电容,防止电路自激,减少噪声。 |
|