一种另类的纯A类功率放大器

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序 号:230763 (电子世界)
标 题:一种另类的纯A类功率放大器 (3210字)
发信人:蒸汽机车
时 间:2019/12/6 12:43:01
阅读次数:675
详细信息:
基本电路如下面的图所示
仔细研究本电路可能比较晦涩,但仿真一下这个电路,结果表明这个电路基本原理是完全正确的,电路稍作调整后能够起到很好的功率放大和输出。首先我们来研究一下这个电路,仿真电路图如下图所示,图中所示的各个电压值都是在仿真运行的时候得到的。





为了方便阅图,我将原理图重新作了排列,我的仿真库里面没有TDA2822的模型,就算是有它的模型库也不一定能够在这个电路中仿真成功,原因是设计这个电路的人根本就没有将这颗芯片当作一个小功放使用,以我个人愚见,也许需要称之为驱动器(Driver)比较合适,另一方面,这个电路的非 常规使用使得芯片内部的电路也改变了它原有的工作状态,这个后面还会说到。

TDA2822的输出端内部可以等效为一对推挽输出的射极跟随器,其余部分为差动输入加一级电压放大以及一些电压源电流源之类的,最终都是为驱动这一对推挽输出的射极跟随器服务的。按现有的信号源之电平以及晶体管制造水平, 用一个三极管完全可以搞定,从而将芯片内部一个声道的全部电路等效为上面图中左边的虚线方框内的一个用3个三极管搭建的简易小功放电路,事实也证明这个简易小功放电路再加个输出电容是完全可以正常工作的。

电路的中间部分是一个以Q7为核心的简易可调的并联型稳压电路,其实这个电路完全可以用一只LM317替代的。它的作用不光是为前面的小功放供电,更重要的是要通过调节这个稳压器的输出电压可以调节输出端中点的直流电位。为了保证有足够的输出电压摆幅,对于线性功放来说,输出端中点的直流电位要设定在供电源的中点附近。那么为什么调节稳压器的输出电压可以调节输出端中点的直流电位呢?这个要结合驱动器电路和输出级的电路综合分析,我确信坛子里真正对电路感兴趣的人不多,所以这里也就不浪费大家的时间和我自己的精力去大书特书了。

好了,现在到本电路最具特色的输出部分了。
输出电路的最上面本质是一个恒流源,它的作用是为他下面的放大级提供一个恒定的直流电流。简约的说法是这样的:电流源为下面的放大级和负载提供 必须的直流电流,而它本身等效的交流阻抗为无穷大(理论上),所以下面的放大级所产生的任何电流变化只能通过输出电容(C7)流向负载。事实上这个电流源也可以用LM317来做,还可以用一个大电感来替代,当然这个电感也是需要特别设计的,它要考虑的参数复杂性以及设计难度和胆机的输出变压器有的一比。
输出部分的中间部分是个发射极输入的共基极放大器,它的基极通过大电容接地。三极管的共基极放大器具有电压放大作用,所以我们可以称之为电压放大器。
输出电路的最下面是由一个PNP功率晶体管构成的射极跟随器,也就是书本上说的共集电极放大器,它具有电流放大作用,放大了的电流信号从Q2 的发射极注入,由Q2再作电压放大然后从它的集电极输出,所以有些文章里也把这个电路叫做啥分量放大器的,一个放大 电流,一个放大电压,然后在Q2 的集电极合成功率输出到负载。
下面的图是得到的仿真波形图:





上面的仿真波形图中,在50mV(RMS)信号源的激励下各个关键点的波形解释如下:
仿真波形的最下面一幅图中,绿色的波形是输出中点的电压摆幅,范围为6-30V。若是普通的OTL功放用同样的36V电源供电,能够达到最大的幅值基本上和这个也差不多的。红色的波形是在16欧姆的负载上输出的功率图,此时电路的最大输出功率为8瓦特。那么就有一个问题来了,我们能不能像其他功放一样把负载电路降低到8欧姆来获得更大的输出功率呢?答案是,如果不改变该电路的参数的话不能。事实上使用本电路的这套参数值时最佳负载就是16欧姆,如果接8欧姆负载时输出功率会降低一半。至于为什么后面再说,也是这个电路的特殊之处:要求负载阻抗严格匹配,否则输出功率下降,失真加大,这个和标准接法的电子管输出电路是一样一样的。
仿真波形的下面第二幅图中,蓝色的波形为驱动器(小功放,也可以认为是TDA2822)的输出电压波形,另一条天蓝色的波形为流过R12也就是Q1的基极的驱动电流的波形,这个电流静态值为18毫安,在信号的驱动下,在6毫安到30毫安之间摆动,也正是这个电流值的存在,完全的改变了驱动用的小功放内部的射极输出级的工作状态。确切的说,使内部上管的电流减少而趋于截止,而下管的工作电流增大了趋向于甲类放大。这个可以从仿真波形的上面第二幅图明显的看到:图中紫色的波形是下管(Q4)的功耗图,它在30毫瓦到100毫瓦之间波动,静态时它要消耗70毫瓦的功率;而驱动器的上管只有在波形的最高点时才产生大约4毫瓦的功耗,大多是的时间里它的功耗为零。为什么要研究驱动器的功耗呢?是因为我担心TDA2822在这种非 常规工作条件下会不会过热而烧毁,而从这个仿真图中得到的结果证明,整个TDA2822的静态功耗为70毫瓦*2,为140毫瓦,最大功耗在200毫瓦左右。对于一个DIP8封装的芯片来讲,它允许的最大功耗为1瓦左右;而对于SOP8的贴片芯片,允许的最大功耗大约为0.28瓦。所以这个地方必须要用双列直插(DIP8)封装的芯片方可安全使用,不能用贴片的芯片,否则芯片会发热严重,不安全。
仿真波形的最上面一幅图中,绿色的是流过负载电流的波形,而蓝色的那条线是恒流源的电流波形。理论上讲,恒流源的电流应该是一条直线,但那是在理想情况下,实际上由于输出中点在作很大电压范围的摆动时,恒流源本身的工作点在跟着变化,从而导致电流源的电流也有一定的变化,当然这个是不好的,需要尽量将少这种变化。

输出级的设计要领就在于这个恒流源的电流值的设定。
在设计功率输出的时候,恒流源的电流值要略大于流过负载电流的最大摆幅。前面已经说过了,这种功放要求负载阻抗严格匹配,按多大的负载设计的就得使用多大的负载,才能达到最佳效果。那么现在我们假如需要配接8欧姆的负载,如果输出的最大电压摆幅是28V峰峰值,那么相应的电流值就达到3.5安培,那么这个恒流源的电流应该要到3.6安培(是不是觉得有些大)以上才行。而在没有信号输出的时候,这么大的电流一直要从电源上源源不断地流过来,在输出级的3个大功率三极管(包括恒流源管)上产生大量的热能,达到130瓦之巨,如果散热措施没有做到位,那么炸管将是必须的。

这种电路的主要特点:
1极低的电源转换效率,这是个绝对的如假包换的纯甲类功率放大器。
不管有没有功率输出,输出级的几个三极管都在消耗着爆大的功率而产生很高的温升,这个对于锗管来说简直是致命的,因为它的结温最高只允许到90度,没有强有力的散热措施,很容易的就死翘翘了。
2 定阻抗输出,阻尼系数(FD值)很小
输出电容接在恒流源和输出晶体管的集电极之间,对交流而言,它们都是高阻的。电流驱动喇叭的纸盆运动后,不能使喇叭音圈产生的反电动势通过本功放产生回路,所以阻尼系数(FD值)很小。至于是好还是不好也是很难说的事,我个人认为功放和音箱在阻尼系数方面需要达到最佳的匹配。
由于电路形式和标准接法的电子管输出电路类似,所以可能得到的音质感受与评价也和胆机差不多吧,但没法说好还是不好。当然因为电路输出端没有使用电感作恒流,所以虽然是定阻抗输出的电路,但就算是空载,由于没有产生尖峰电压的电感,倒也不至于损坏电路元件。

关于一只功放的效果,本人坚持下面2个观点:
1.    相对于普通的功放电路,纯A类电路最大的优点在于谐波失真小,很多的现代仪器都是可以轻松的测出来的;
2.    一切不讲性能指标的评价都是耍流氓.


谢谢观赏




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不竟繁花;
相忘江湖

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