[发明专利]简洁高效的超级甲类功率放大器

说明书

技术领域：

本发明涉及电信号的高保真大功率放大领域，对一些需要大功率高保真信号输出的场合特别适用。这个电路可以同时实现甲类的高保真和乙类的高效率，与传统甲类功放相比有更大的电功率输出同时也更加节能。与传统甲乙类功放相比，实现了信号放大的更佳保真度。 

背景技术：

功率放大器一般由电压放大部分和电流放大部分二大部组成，电压放大部分作用是根据最终负载电阻和输出电功率的要求，将输入信号的电压放大到必要的程度；电流放大部分作用是使经电压放大级放大后的信号能够输出足够的电功率。当前放大器主流功率放大形式是无变压器输出互补推挽的0CL电路。 

当前比较流行的是两级电压放大和两级电流放大结构，第一电流放大级主要负责推动大功率晶体管也称推动级，第二电流放大级负责电功率的输出也称功率放大级。 

现有研究已经证明最好的高保真放大器在电路设计上需要满足四个要求。一是每级都是对称的正负臂结构，二是每级正负臂都由互补的放大器件来放大，三是每一级都实现电信号的全对称全互补放大。四是总体电路要简洁，简洁意味着较少放大级数，较少的器件、较少的失真、较快的反应速度、较低的成本。 

所谓全对称，在这里指的是放大器的每一级都由正负电源两个放大回路进行放大，形成正电源一侧的正臂放大回路加负电源一侧的负臂放大回路结构，共同对信号进行放大。所谓全互补是指每一级的两个放大回路都由一个NPN型和一个PNP型晶体管组合形成。全互补全对称结构的放大电路有以下好处，一是让每一级有更大的电流信号输出，二是让晶体管本身的非线性失真进行互相补偿，由于信号在正负两臂中电流一个增加一个减小，信号是镜像放大，晶体管的放大特性是放大倍数随着电流会改变，所以单管放大后信号是有失真的，而镜像放大信号综合后，失真方向相好抵消，如此就实现了每一级的固有失真最小化。在三个要求中，电信号的全对称全互补放大是最难实现的条件。难点在于放大器的功率放大级，如果要在这一级实现电信号的镜像放大，考虑到最大功率输出的要求，必须预先设定一个很大的静态电流，导致功放效率很低，同时发热量的增加对散热系统和电源的要求也更高，限制了输出功率的进一步提高，成本也增加。设定较低的末级偏置电流将导致放大器在输出电流大于两倍末级偏置电流时，其中一个功率管进入截止状态，破坏信号在末级的镜像放大功能，功率管失真无法抵消，虽然具有互补对称的硬件结构，但是对信号的放大却是由一只晶体管承担。固有失真只能靠大环路的负反馈来消除，但是大环路负反馈这种结也不是完美的，由于放大电路有响应延迟以及分布参数对瞬时信号的影响，在瞬时大动态信号输入时，电路固有失真大的缺点将被显现出来，产生新的谐波失真，这种失真称瞬态互调失真。 

如此，根据放大器在额定功率下功率级的晶体管能否实现全程的镜像放大，可将功率放大器分为甲类和乙类以及折中后的甲乙类等。所谓甲类是指在额定功率下，功率放大级NPN和PNP功率管能够同时进行信号的放大与输出。所谓乙类是指给功率管提供一个门限偏置电压，避开功率管非线性失真较大的那个区域，而信号电流的放大由其中的一只晶体管担负，不考虑信号的镜像放大功能。所谓甲乙类是指两者的折中形态，小功率输出时放大器功率级工作于甲类偏置状态，该级能够实现电信号镜像放大，但在电流输出大于两倍的功率级偏置电流时，其中一只晶体管截止，放大功能由另一只来完成，此电路进入了乙类状态。由此可见，信号放大质量甲类好于甲乙类好于乙类，从效率上来说乙类最高，其次甲乙类，最后是甲类。当前有个误解，认为甲乙类和乙类音质不如甲类是由于交越失真引起的。在功放电路实现大环路负反馈后，只要能够提供一个让功率管开启的静态电流，交越失真是可以被环路负反馈抵消的。除非是功率级没有静态偏置电流，处于截止状态才会有交越失真产生。其实导致甲乙类和乙类功放保真度的真正原因是甲乙类和乙类功放在末级没有实现镜像放大，由于单管推动，造成功率管的非线性固有失真无法实现互补抵消，形成功率级的固有失真。在瞬态时环路负反馈滞后造成的瞬态失真，音质变差。 

这三类偏置有以下特点。甲类偏置的特点是功率管的偏置电流要大于1/2的最大输出电流，只有能满足达到这个条件，功率级才能输出镜像放大的电流，显然这个静态电流相对较大。电路处于甲类状态，输出信号保真度最高，功率级固有失真最小。缺点是末级采用大电流偏置，效率很低，而且放大器发热量大，受电源和散热能力的影响也无法输出大功率的保真信号，只能适用于高保真功率输出要求不高的场合。