深度解析晶体管放大器结构原理图解（深度解析晶体管放大器结构原理图）

功率放大器的功能是将来自前置放大器的信号放大到足够的功率，以驱动相应的扬声器系统。它的功率比前置放大器简单很多，功耗也比前置放大器大很多，因为功放的本质就是要转换交流电能转化为音频信号，当然不可避免地会有能量损失，尤其是甲类放大器和电子管放大器。

功率放大器的结构

功率放大器的框图如图1-1所示。

差分对电子管输入级

输入级主要充当缓冲器。当输入阻抗较高时，通常会引入一定量的负反馈，以提高功率放大器电路的稳定性并降低噪声。

1.预驱动级的作用是控制驱动级和信用输出级两个推挽管的DC平衡，提供足够的电压增益。

激励级为功率输出级提供足够的激励电流和稳定的静态偏置电压。激励级和功率输出级为扬声器提供足够的激励电流，保证扬声器的正确播放。此外，功率输出级还向保护电路、指示电路提供控制信号，并向输入级提供负反馈信号(如果需要)。

几乎所有功率放大器的输入级都采用差分对管放大电路。由于它处理的信号很弱，电压差分输入给出的是基本与输入端口电压无关的电流输出，其DC失调很小，所以固定电流不再需要经过反馈网络，所以它的线性度问题很容易处理。实际上，它的线性度远远好于单管输入级。图1-2显示了三种最常用的差分对电子管输入级的电路图。

图1-2各种差分对电子管输入级电路

在输入级电路中，输入对管的DC平衡极其重要。为了实现精确平衡，输入级增加了一个电流镜结构，如图1-3所示。它可以迫使电子管的两个集电极电流几乎相等，从而可以精确地消除二次谐波。此外，流过输入电阻和反馈电阻的两个基极电流不相等引起的DC偏移也更小，三次谐波失真减少到没有电流镜时的四分之一。

在平衡良好的输入级中增加一个电流镜可以将总开环增益提高至少6Db。然而，对于输入阶段，可以预先获得足够的平衡，增加电流镜后最大增加可达15dB。另一个结果是，加入电流镜后，开关速度大致提高了一倍。

在输入阶段，即使差分对管采用电流镜结构，仍然需要采取一些措施对她的高频失真起作用。以下是一些常用的方法。

1)、恒顶互导负反馈法

图1-4示出了具有恒定跨导(gm)的标准输入级(A)和负反馈输入级(B)的电路示意图。通过计算，每根灯管的负反馈电阻为22。当输入电压电平为-40dB时，测试后失真度从0.32%降至0.032%。同时，在保持gm不变的情况下，电流提高2倍，转化率可提高(10~20)V/us。

图1-3标准电流反馈镜像输入级1-4具有恒定跨导的标准输入级和负反馈输入级

用互补反馈线间管代替输入管的方法简称CFP法。电路如图1-5所示。

图1-5改进的差分管道输入级

测试结果表明，与上述恒互导负反馈输入级相比，恒互导负反馈输入级的三次谐波失真为0.35%，而CFP型输入级的三次谐波失真为-30dB%。在其他情况下，后者的三次谐波失真约为前者的一半。

共源共栅互补输入电路如图1-6(c)所示。在所示的值下，当输入电平为-30Db时，失真大约为0.016%。此外，由于输入管的集电极没有明显的电压波动，这种电路的主要优点是降低了输入器件所用的电压Vce。这将使她能够在低收入的情况下工作

用互补负反馈对管代替输入管。

改善输入级线性度的方法

带电流镜的输入级

电压放大级

因为电压放大级不仅提供全电压增益，而且给出正的输出电压摆幅，所以电压放大级人为是音频放大器最关键的部分。而设计好的电压放大级对整个放大器的积分时钟影响很小，电压放大级本身产生的失真很小。图1-7显示了六个电压放大级的原理图，其中(a)是一个常规的电压放大级，电流源作为其负载；图(b)示出了负载自举的传统电压放大器级；(c)通过加强的射极跟随器来加深局部负反馈电压放大级；(d)采用共射共基连接方式，加深局部负反馈电压放大级；(e)带有缓冲器的电压放大级；以及(f)电压放大器级，其使用交替缓冲来自举电压放大器管的负载。

图1-7电压放大级的六种变形电路

使电压放大级具有局部开环增益是非常重要的，因为只有这样才能使电压放大级的记忆线性化，才能采用有源负载技术提高电压增益。例如，如图1-7(a，B，F)所示，要进一步改善电压放大级，比较有效的方法是改善其特性曲线的非线性。

输出级

众所周知，决定输出阶段时针的最基本因素是工作类别。因为A类工作状态不会产生交叉失真和开关失真，所以成为一种理想的模式。但是，它造成的大信号失真仍然不小，不可忽略。对于A类和B类，如果输出功率超过A类所能承受的水平，总谐波失真肯定会增加。由于此时偏置控制提前，其互导倍增效应(即A类工作区两管导通导致电压增益增大的现象)对顺时针残余产生影响，产生许多高次谐波。这个事实似乎鲜为人知。我恐怕是因为这种跨导倍增失真在大多数放大器中的水平相对较小，而且完全被七台河失真淹没了。对于A类和B类，从其与A类和B类的失真残差的频谱分析可以看出，除了不可避免的输出级失真外，所有的非线性都得到了有效的消除，最佳的B类状态在奇次谐波的幅度上比A类和B类低10Db。其实一般认为奇次谐波是最讨厌的，所以正确的做法是避开A类和B类工况。

从这个角度来看，输出级工作状态的选择似乎只能在A型和B型之间进行。但如果综合考虑效率、大信号失真、温升等失真，B类的性能指标是压倒其他类别的。所以广泛采用选择B类作为输出级。

输出级有射极跟随器输出级、互补反馈计数管输出级、准互补输出级、三路输出级、功率FET输出级等20多种类型。以及误差校正输出级、电流注入线输出级和Blomley输出级。

短短几分钟介绍如下：

输出级的类型

射极跟随器输出级(达林顿结构)

图1-8显示了三种最常见的射极跟随器输出级。它们是双射极跟随器结构，其中第一个跟随器是第二个跟随器(输出管)的驱动器。所以这里不叫达林顿结构，因为达林顿结构意味着它可以是一个包括驱动管、输出管和各种发射极电阻的集成块。

图1-8射极跟随器输出级的三类电路中，(a)是比较流行的一种，其特点是将驱动管的射极电阻接在输出电路上。然而，由类型(B)的两个驱动器共享的发射极电阻Rd没有连接到输出电路，因此当输出管关断时，驱动器可以反向偏置其发射极结。类型(c)是通过将两个驱动管的发射极电阻连接到侧电源电路(而不是输出电路)来保持驱动管处于A类状态的结构。它的突出特点是在输出管的基极反向偏置方面表现得和类型(B)一样好，并且高频关断将更加直接。

实际上，上述三类输出级的共同特点是在输入端和负载之间串联了两个发射极结。另一个特点是输出电压大、负载重时会出现增益下降。

射极跟随器输出级的特点是，输入通过两个串联的射极结传输到输出，在这一级的末端加上局部负反馈。另一个特点是平压和发射极电阻re之间有两个不同的发射极结，传输不同的电流，有不同的结温。

1.互补反馈对管输出级

互补对管输出级也称为SzikLai对输出级，如图1-9所示。其特点是驱动管按输出电压与输入电压比较的要求设置，可以给出较好的线性度和良好的热稳定性。

根据傅立叶分析，对管状输出级的互补反馈产生的大信号的非线性小于射极跟随器的非线性，并且交叉区域的宽度窄得多，大约为0.3V

2.准互补输出级

图1-10(a)示出了一个标准的准互补电路，而(b)示出了一个Baxandall准互补电路。标准的准互补电路在交叉区域附近对称性较差，而采用Barkson-Deere二极管的Barkson-Deere互补电路大大改善了其对称性。它常用于放大器的闭环中。在其他时针被大量淘汰后，它能给出不错的表现。例如，在负反馈系数约为34dB (30KHz)的放大器中使用时，失真在100W时很容易达到0.0015%(1KHz)和0.15%(10kHz)。

图1-9互补反馈计数管输出级图1-10准互补输出级

3.三输出级

三输出级的电路结构是在输出级的每个半电路部分中使用三个晶体管，而不是两个，并且它可以有多达七种变化。如果电路使用正确，它可以有以下两个好处：

a、对于大输出电压和电流给出的线性度是好的；

b、由于前驱动管可以处理低功率的信号，耳朵可以保持其工作温度很低，从而使静态设置条件更加稳定。图1-11显示了产品设计中常用的三种大输出电路。

输出级的时针可以细分为三种：大信号非电流失真、交叉失真和开关(关断)失真。

考虑所有双极晶体管级，它们的大信号非线性失真(LSN)如下所示：

一、LSN随着负载阻抗的减小而增大。

在负载为8的典型输出级中，其闭环LSN通常可以忽略不计，但当负载阻抗为4时，其相对纯的三次谐波将在THD残余中变得明显。

b、LSN随着驱动管发射极的有源集电极电阻的减小而增大。

出现上述情况的原因是驱动管的摆动变大。但是，它的优点是可以实现有效的末端失真。两者的折中是取47 ~ 100的电阻值。

需要指出的是，与交越失真和关断失真相比，LSN在总失真中所占的比例(负载为8时)非常小。这个论点在4 负载下不成立，更不用说2 负载了。如果设计重点不是最小化关断失真，互补反馈通常是管状输出级的最佳选择。

C.大型Ic中增益下降可以通过简单有效的前馈机制来部分抵消。

A.大信号非线性时针

B.输出级失真

4.交叉失真

逆时针对乙类功放的危害最大，因为它会产生令人讨厌的高次谐波，其数值会随着信号电积的减小而增大。事实上，就单驱动8负载放大器而言，其综合线性度由交越失真决定，即使其输出级设计良好且所施加的偏置电压为最佳值。

图1-12(负脉冲)显示失真加噪声(THD N)随着输出电平的降低而增加，但变化缓慢。实际上，跟随型互补反馈对管状输出级都有类似于图1-12的曲线。无论偏置多么不足，当输出电压减半时，总谐波失真将增加1.5倍。

图1-12 THD N与输出电平的关系曲线(未显示)

关于跨界失真的情况，英国相关部门的报告如下：

实验表明，互补反馈计数管输出级在大多数指标上优于射极跟随器输出级。实验结果如表1-1、1-2、1-3所示，其中表1-2、1-3分别给出了互补反馈对管输出级、射极跟随器输出级和互补反馈对管输出级的实验结果。在表Vb中，倍增器偏置发生器在驱动级基极两端建立的电压。工作在乙类放大状态时，Vb=Vq~3Vq，Vq为两个发射极电阻Re两端产生的静态电压，通常Vq=5~50mV，具体取决于所选的电路结构。静态电流Iq是流经输出器件的电流，不包括驱动级的稳定电流。

为了改善交越失真，记住以下条件结论很重要：

一、静态电流本身无关紧要，但VQ是一个至关重要的参数；

一个能保持VQ严格正确的热补偿方案只需要知道驱动管和输出管的结温。不幸的是，这些结温可以实际上无法精确测量，但至少我们可以知道目标是什么。

5.关闭失真

关断失真取决于几个可变因素，尤其是输出器件的速度特性和输出拓扑结构。关键因素是输出级能否在输出时反向偏置B、E结，使载流子提取速度最大化，使输出器件快速关断。图1-8(b)所示跟随器的输出级电路是唯一可以反向偏置输出B和E结的普通电路。

第二个因素是驱动级发射极或集电极的电阻值。电阻越小，储存的电荷就能越快被移除。应用这些标准可以明显减少高频失真。

此外，通过将加速电容与图1-8(b)所示跟随器输出电路的公共驱动电阻Rd并联，可以降低高频时的THD失真。例如，在40Hz时，THD可以减少1.5，这表明输出设备要多得多纯当然在300Hz~8KHz范围内也会有同样的好处。对于由双结晶体管组成的输出级，最佳输出级的选择如下：

(1)第二射极跟随器输出级

这种输出级在处理截止失真方面是最好的，但静态电流稳定性可能会有问题。

(2)互补反馈对管输出级

这种输出级具有良好的静态电流稳定性和小的大信号非线性，但最大的特点是在没有额外高压电源的情况下，无法通过输出基极的反向偏置快速切断时间。

(3)巴克森准互补输出

这种输出级类似于目前的射极跟随器输出级，但具有节省输出器件成本的优点。但其静态电流稳定性不如互补反馈对管输出级。

输出级的选择

放大器的电源

下面是几种常见的电源。

图1-13显示了一个集成运算放大器的电源示例。该电路可输出约0.3A的电流，是一种性能良好的并联稳压电源。每个晶体管都需要足够大的散热器。

图1-13稳压电源与TL431稳压电源并联的原理是限流电路提供大于负载电流的电流，一部分供给负载，剩余部分全部由调节管排出短路接地，以保持输出电压恒定。串联电源电路是负载需要多大的电流，而调压管放手多少电流，从而保持输出电压不变。并联稳压电路与串联稳压电路的区别仅在于调压管与电源的连接方式。它们也起到稳压的作用，但是电源内阻的不同导致音质的不同。当两个电路输入电压相同、负载相同时，串联型稳压电路的内阻远大于并联型。例如，如果负载Rf所需电压U1=30V，电流If=50Ma，输入电压U0=40V，那么在相同条件下，并联稳压电路的内阻仅为串联稳压电路的33%。电源的低内阻意味着电源具有传递的能量传递率，使负载所需的瞬时大电流能及时供给，放大器的强度能得到相当大的改善和提高。并联稳压电路有功耗高的特点，但对于要求电流鼓噪的前级来说不是问题。即使对于电流较大的后级，也经常使用这种稳压电路来提高音质。

FET是一种电压驱动器件，具有许多优良的特性，如负温度系数、良好的抗二次击穿频率和低噪声。用于电源调整的电子管可以获得优异的性能，特别是对于高压电源，不必再去找高beta、高背压的双晶三极管。

图1-14显示了改进后的电路。恒流电路采用低噪声、高耐压三极管。

相关电路：

一、用场效应晶体管的稳压电源

B.采用TL431稳压电源。

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