差動輸入級功率放大器卓越品質(zhì)實(shí)現(xiàn)路徑之探討

摘?要：本文從差動放大器的傳遞函數(shù)講起，推導(dǎo)出差動對管集電極電流i_C1、i_C2是雙曲正切函數(shù)，在差動輸入電壓u_id = 0附近的近似線性關(guān)系，通過對比發(fā)現(xiàn)差動輸入級比單管輸入級具有四大優(yōu)勢，但存在共模抑制比（CMMR）和電源抑制能力（PSRR）均較差的問題。隨后，把“尾巴”電阻改為恒流源，并對電路的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行估算，讓讀者有一個數(shù)量級別上的直觀感覺。接著就用鏡像恒流源作為差動放大器的集電極負(fù)載，保證差動對管電流精確平衡，減小2次諧波失真；在差分對發(fā)射級串聯(lián)電阻、引入本級負(fù)反饋，擴(kuò)寬線性區(qū)。甚至考慮在激勵級內(nèi)插射極跟隨器，激勵級的總β值增大，使得本級負(fù)反饋的線性化效果增強(qiáng)。凡此種種“精益求精”的設(shè)計理念，使得音頻功放實(shí)現(xiàn)從工程樣機(jī)到商用產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，為設(shè)計者提供絕佳的專業(yè)設(shè)計指引。

關(guān)鍵詞：差動放大器；雙曲正切函數(shù)；跨導(dǎo)放大器；跨阻放大器

好！關(guān)于差動放大器的傳遞特性為雙曲正切函數(shù)的推導(dǎo)就進(jìn)行到這里。下面談一談差動輸入級與單管輸入級功率放大器的異同點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)。

2 與單管輸入級功率放大器對比

圖 4 是基本型差動輸入級功率放大器，這種電路是不需要調(diào)整就能可靠地降低失真的少數(shù)電路形式之一。原因是差動對管的跨導(dǎo)由晶體管的工作性質(zhì)決定，而不是依靠晶體管諸如 β 值等不可預(yù)期參數(shù)的匹配。這種電路具有穩(wěn)定性高，能降低噪聲與失真、抑制零漂、減小失調(diào)電壓等優(yōu)點(diǎn)，幾乎是音頻放大器的必選輸入電路。

圖4 基本型差動輸入級功率放大器

作為對比，單管輸入級功率放大器電路原理如圖 5 所示。兩個電路的激勵級和輸出級結(jié)構(gòu)、參數(shù)均相同。區(qū)別主要有兩點(diǎn)：一 是圖 4 的反饋電阻 R3 與取樣電阻 R4 比圖 5 電路中的 R3 與 R4 均提升 10 倍（注：保持R3 ∶ R4=?20 的比值不變）；二是圖 4 的輸入級為雙管組成的差動放大器，圖 5 的輸入級為單管共發(fā)射放大器。

關(guān)于第一個區(qū)別，為什么反饋電阻與取樣電阻分別提高 10 倍呢？這是因?yàn)樵诓顒訉軈?shù)對稱的情況下，若要減小失調(diào)電壓（靜態(tài)時輸出端電位），R2 必須等于 R3，而 R2 決定電路的輸入阻抗，宜大不宜小。第二個區(qū)別，使用差動對管作為輸入級最起碼有如下四大好處。

（1）克服了單管輸入級前置管 VT1 的靜態(tài)電流（毫安級）通過反饋電阻（R3）的缺點(diǎn)；差動對管通過負(fù)反饋（R3）的靜態(tài)電流只有微安級，可忽略不計。

（2）利用差動對管的 b-e 極間電壓相互抵消，從而獲得低失調(diào)電壓。

（3）利用差動對管抑制共模信號，減小溫漂。由于電路參數(shù)的對稱性，溫度變化時管子的電流變化完全相同（相當(dāng)于緩慢變化的共模信號），故對溫漂有很強(qiáng)的抑制作用。

（4）差動放大器的傳輸特性為雙曲正切函數(shù)，曲線在 u_id = 0 附近近似于直線；而單管輸入級在電流變化在 1 nA~1 A 范圍內(nèi) I _C - U _BE 是精確的對數(shù)關(guān)系，即：

該函數(shù)的圖像如圖 6 所示，位于 Ⅰ 象限。顯然，圖 2 與圖 3 曲線穿越縱軸附近的線性度遠(yuǎn)比圖 6 所示曲線在 Q 點(diǎn)附近優(yōu)秀——這似乎不是很多人知曉！

在分析交流放大的路徑時，差動輸入級可視為電壓控制的電流放大器，圖 4 差動對管 VT0 的 b 極相當(dāng)于運(yùn)放的同相端，VT1 的 b 極相當(dāng)于運(yùn)放的反相端；VT0 的 c 極接激勵管 VT3 的 b 極，激勵放大后變成高振幅電壓，然后交由復(fù)合管推挽輸出級進(jìn)行功率放大。 電路的總輸出相當(dāng)于運(yùn)算放大器的輸出端。故從交流通路觀察，差動輸入級功率放大器可以簡化為同相比例放大器，如圖 7 所示。故，差動輸入級功率放大器的閉環(huán)增益 A_u 為：

從聽音效果上看，圖 4 已經(jīng)是一個不錯的電路了。但它有一個明顯的缺點(diǎn)：用 R1 作為差動對管的“尾巴”接電源正極供電，致使差動放大器的共模抑制比（CMMR）和電源抑制比（PSRR）都較差。若改由恒流源提供，因恒流源的交流阻抗很大，對共模信號具有較強(qiáng)的抑制作用（注：對差模信號相當(dāng)于接地），則在 CMMR 和 PSRR 兩方面都有卓越的表現(xiàn)。

圖8 改進(jìn)后的電路

3.5 閉環(huán)帶寬

如圖 9 為某個理想化的集成運(yùn)放的開環(huán)幅頻特性曲線，轉(zhuǎn)折頻率約為 7 Hz，在 7 Hz 以下開環(huán)增益為 107 dB 且基本不變。超過 7 Hz 隨著頻率的上升，增益 以 -20 dB/10 oct 的速率下降（注意：轉(zhuǎn)折頻率處的開環(huán)增益是近似的，精確值要比 107 dB 小 3 dB）。可見，集成運(yùn)放的開環(huán)增益頻率與差動輸入級音頻功率放大器一樣。

實(shí)際上，開環(huán)增益在 5 Hz 左右開始減少，這表明集成運(yùn)放在開環(huán)工作時寬帶非常狹窄。好在集成運(yùn)放線性工作時通常是閉環(huán)且引入負(fù)反饋，增益降低帶寬增加。一般來說，用幅頻特性曲線可以大致預(yù)測到閉環(huán)的帶寬。例如，由集成運(yùn)放組成的反相放大器的閉環(huán)增益為 100 倍（或 40 dB），在圖 9 縱軸上找到 40 dB，向右延伸與開環(huán)特性曲線相交，該點(diǎn)橫坐標(biāo)就是閉環(huán)轉(zhuǎn)折頻率。由于在轉(zhuǎn)折頻率以上，增益以 -20 dB/10 oct 的速率下降，故當(dāng)頻率上升到 100 kHz 時，增益將減至 20 dB，它就是圖 9 中的閉環(huán)增益曲線。

當(dāng)不考慮轉(zhuǎn)折頻率的增益誤差時，觀察頻點(diǎn) 10 kHz &40 dB 和 100 kHz&20 dB，因?yàn)?20 dB 與 40 dB 對應(yīng)的放大倍數(shù)分別為 10 倍與 100 倍，居然有“10 kHz×100 倍 =100 kHz×10 倍”的奇妙現(xiàn)象。在電子學(xué)或控制系統(tǒng)領(lǐng)域，常常用增益帶寬積來描述放大器的這種重要指標(biāo)。

由式（11）可知，對于任意高于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的頻率，增益帶寬積可表示為：

可見，在 20~20 kHz 的頻率范圍內(nèi)功放的增益是多么平坦！實(shí)際上，音頻功率放大器不需要這么廣闊的帶寬，這時只需要在負(fù)反饋電阻 R8 的兩端并聯(lián)一只小容量的電容（容量幾百皮法以下），就可限制閉環(huán)的帶寬。

4 務(wù)必保證差動對管精確的直流平衡

圖10

5 激勵級的跨阻越大越好

差動輸入級肩負(fù)的關(guān)鍵職責(zé)是從輸入信號中減去負(fù)反饋信號產(chǎn)生誤差信號，故激勵級的輸入是預(yù)失真信號，類似于圖 11 所示的藍(lán)色波形，正半波小（光標(biāo) 1 指示 38 mV），負(fù)半波大（光標(biāo) 2 指示 -72 mV）。因?yàn)榫w管的轉(zhuǎn)移特性是指數(shù)函數(shù)，藍(lán)色信號經(jīng)晶體管非線性放大以后，輸出信號的正、負(fù)半波幅度接近相等。

從反饋理論上分析，輸入信號為正弦波，正、負(fù)半波對稱，反饋信號是輸出信號成比例的縮小——也是正半波大、負(fù)半波小，故差動放大器輸出的預(yù)失真信號（誤差信號）則是正半波小、負(fù)半波，如圖 12 所示。從效果上看，預(yù)失真信號與放大器本身 對信號放大的不對稱性互相抵消，從而減小了不對稱的非線性失真，這種“陰差陽錯，歪打正著”的現(xiàn)象正是負(fù)反饋的妙用！

實(shí)際上，由于圖 10 激勵級的跨阻非常大，故激勵級的輸入信號很小，如圖 13 黃色波形所示，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖 11 所示藍(lán)色波形。

讀者可能會問：為什么要把激勵級的跨阻設(shè)計得非常大呢？

對于某一具體電路來說，輸出最大電壓振幅是一定的，跨阻愈大開環(huán)增益愈大，則激勵級的預(yù)失真輸入信號愈小。于是，激勵管在如圖 6 所示曲線的 Q 點(diǎn)附近的擺動范圍更小，在這個非常狹窄的區(qū)間內(nèi)曲線更接近于直線，故非線性失真更小——這正是音頻系統(tǒng)所期望看到得效果。

需要指出的是，圖 10 所示差動對管發(fā)射極還分別串聯(lián) 30 Ω 電阻，目的是為了擴(kuò)展雙曲正切函數(shù)線性區(qū)的寬度，如圖 15 所示。過零處最陡的曲線發(fā)射極串聯(lián)電阻為 0，相鄰曲線串聯(lián)電阻依次增大 10 Ω，第十條曲線串聯(lián)電阻為 100 Ω，過零處斜率最小。

即便如此，由于圖 10 所示電路最大輸出功率只有十幾瓦左右，與市場需求有較大的差距。故實(shí)際的商用功放往往都是用中功率管作為驅(qū)動級，用大功率管作為輸出級，最大輸出功率可達(dá) 50 W 以上。有關(guān)這方面的詳細(xì)信息，敬請參考葛中海編寫、電子工業(yè)出版社出版的《音頻功率放大器設(shè)計》（第 198 頁及其后內(nèi)容）。

6 結(jié)語

（1）差動放大器的轉(zhuǎn)移特性是雙曲正切函數(shù)，線性度明顯優(yōu)于單管放大器的指數(shù)函數(shù)。

（2）差動放大器具有良好的抑制溫漂的能力，結(jié)合“尾巴”恒流源抑制效果更為顯著。另外，“尾巴”電阻改為恒流源，在 CMMR 和 PSRR 兩方面都有卓越的表現(xiàn)。

（3）差動放大器的集電極設(shè)為鏡像恒流源負(fù)載，能保證差分對管精確的直流平衡，大大減小 2 次諧波的失真。

（4）差動放大器輸出的是正半波小、負(fù)半波大的預(yù)失真信號，與激勵管對信號放大的不對稱性互相抵消，從而減小了不對稱的非線性失真（本質(zhì)上輸出信號仍然是失真的）。

（5）激勵級由恒流源供電，能提高跨阻、增大開環(huán)增益，使得激勵級的工作區(qū)更為狹窄、線性度更好，有利于改善非線性失真。

（6）差動對管發(fā)射極串聯(lián)小阻值電阻，增加本級負(fù)反饋，可以擴(kuò)展線性工作區(qū)的寬度。為保證串聯(lián)電阻后開環(huán)增益不降低，可適當(dāng)增大差動對管的“尾巴”總電流 ITAIL 。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葛中海.音頻功率放大器設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2017.

[2] 鈴木雅臣.晶體管電路設(shè)計(上)[M].周南生,等譯,北京:科學(xué)出版社,2004.

[3] 童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

[4] SELF D. Audio Power Amplifier Design Handbook[M].4版.北京:人民郵電出版社,2009.

[5] GRAY P R, MEYER R G, HURST P J, et al. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits[M].5 Ed.2009.

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年10月期)