差動(dòng)輸入級(jí)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(dòng)放大器的傳遞函數(shù)講起，推導(dǎo)出差動(dòng)對(duì)管集電極電流i_C1、i_C2是雙曲正切函數(shù)，在差動(dòng)輸入電壓u_id = 0附近的近似線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)差動(dòng)輸入級(jí)比單管輸入級(jí)具有四大優(yōu)勢(shì)，但存在共模抑制比（CMMR）和電源抑制能力（PSRR）均較差的問(wèn)題。隨后，把“尾巴”電阻改為恒流源，并對(duì)電路的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行估算，讓讀者有一個(gè)數(shù)量級(jí)別上的直觀感覺(jué)。接著就用鏡像恒流源作為差動(dòng)放大器的集電極負(fù)載，保證差動(dòng)對(duì)管電流精確平衡，減小2次諧波失真；在差分對(duì)發(fā)射級(jí)串聯(lián)電阻、引入本級(jí)負(fù)反饋，擴(kuò)寬線(xiàn)性區(qū)。甚至考慮在激勵(lì)級(jí)內(nèi)插射極跟隨器，激勵(lì)級(jí)的總β值增大，使得本級(jí)負(fù)反饋的線(xiàn)性化效果增強(qiáng)。凡此種種“精益求精”的設(shè)計(jì)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(jì)者提供絕佳的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)指引。

關(guān)鍵詞：差動(dòng)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(dòng)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(dòng)輸入級(jí)與單管輸入級(jí)功率放大器的異同點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)。

2 與單管輸入級(jí)功率放大器對(duì)比

圖 4 是基本型差動(dòng)輸入級(jí)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(dòng)對(duì)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(dòng)輸入級(jí)功率放大器

作為對(duì)比，單管輸入級(jí)功率放大器電路原理如圖 5 所示。兩個(gè)電路的激勵(lì)級(jí)和輸出級(jí)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(jí)為雙管組成的差動(dòng)放大器，圖 5 的輸入級(jí)為單管共發(fā)射放大器。

關(guān)于第一個(gè)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?dòng)對(duì)管參數(shù)對(duì)稱(chēng)的情況下，若要減小失調(diào)電壓（靜態(tài)時(shí)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(gè)區(qū)別，使用差動(dòng)對(duì)管作為輸入級(jí)最起碼有如下四大好處。

（1）克服了單管輸入級(jí)前置管 VT1 的靜態(tài)電流（毫安級(jí)）通過(guò)反饋電阻（R3）的缺點(diǎn)；差動(dòng)對(duì)管通過(guò)負(fù)反饋（R3）的靜態(tài)電流只有微安級(jí)，可忽略不計(jì)。

（2）利用差動(dòng)對(duì)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(dòng)對(duì)管抑制共模信號(hào)，減小溫漂。由于電路參數(shù)的對(duì)稱(chēng)性，溫度變化時(shí)管子的電流變化完全相同（相當(dāng)于緩慢變化的共模信號(hào)），故對(duì)溫漂有很強(qiáng)的抑制作用。

（4）差動(dòng)放大器的傳輸特性為雙曲正切函數(shù)，曲線(xiàn)在 u_id = 0 附近近似于直線(xiàn)；而單管輸入級(jí)在電流變化在 1 nA~1 A 范圍內(nèi) I _C - U _BE 是精確的對(duì)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(xiàn)穿越縱軸附近的線(xiàn)性度遠(yuǎn)比圖 6 所示曲線(xiàn)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(shí)，差動(dòng)輸入級(jí)可視為電壓控制的電流放大器，圖 4 差動(dòng)對(duì)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(lì)管 VT3 的 b 極，激勵(lì)放大后變成高振幅電壓，然后交由復(fù)合管推挽輸出級(jí)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(dòng)輸入級(jí)功率放大器可以簡(jiǎn)化為同相比例放大器，如圖 7 所示。故，差動(dòng)輸入級(jí)功率放大器的閉環(huán)增益 A_u 為：

從聽(tīng)音效果上看，圖 4 已經(jīng)是一個(gè)不錯(cuò)的電路了。但它有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：用 R1 作為差動(dòng)對(duì)管的“尾巴”接電源正極供電，致使差動(dòng)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(duì)共模信號(hào)具有較強(qiáng)的抑制作用（注：對(duì)差模信號(hào)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(gè)理想化的集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)幅頻特性曲線(xiàn)，轉(zhuǎn)折頻率約為 7 Hz，在 7 Hz 以下開(kāi)環(huán)增益為 107 dB 且基本不變。超過(guò) 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(kāi)環(huán)增益是近似的，精確值要比 107 dB 小 3 dB）?？梢?jiàn)，集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益頻率與差動(dòng)輸入級(jí)音頻功率放大器一樣。

實(shí)際上，開(kāi)環(huán)增益在 5 Hz 左右開(kāi)始減少，這表明集成運(yùn)放在開(kāi)環(huán)工作時(shí)寬帶非常狹窄。好在集成運(yùn)放線(xiàn)性工作時(shí)通常是閉環(huán)且引入負(fù)反饋，增益降低帶寬增加。一般來(lái)說(shuō)，用幅頻特性曲線(xiàn)可以大致預(yù)測(cè)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(kāi)環(huán)特性曲線(xiàn)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(shí)，增益將減至 20 dB，它就是圖 9 中的閉環(huán)增益曲線(xiàn)。

當(dāng)不考慮轉(zhuǎn)折頻率的增益誤差時(shí)，觀察頻點(diǎn) 10 kHz &40 dB 和 100 kHz&20 dB，因?yàn)?20 dB 與 40 dB 對(duì)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(lái)描述放大器的這種重要指標(biāo)。

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

可見(jiàn)，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(shí)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(dòng)對(duì)管精確的直流平衡

圖10

5 激勵(lì)級(jí)的跨阻越大越好

差動(dòng)輸入級(jí)肩負(fù)的關(guān)鍵職責(zé)是從輸入信號(hào)中減去負(fù)反饋信號(hào)產(chǎn)生誤差信號(hào)，故激勵(lì)級(jí)的輸入是預(yù)失真信號(hào)，類(lèi)似于圖 11 所示的藍(lán)色波形，正半波?。ü鈽?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(hào)經(jīng)晶體管非線(xiàn)性放大以后，輸出信號(hào)的正、負(fù)半波幅度接近相等。

從反饋理論上分析，輸入信號(hào)為正弦波，正、負(fù)半波對(duì)稱(chēng)，反饋信號(hào)是輸出信號(hào)成比例的縮小——也是正半波大、負(fù)半波小，故差動(dòng)放大器輸出的預(yù)失真信號(hào)（誤差信號(hào)）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(hào)與放大器本身 對(duì)信號(hào)放大的不對(duì)稱(chēng)性互相抵消，從而減小了不對(duì)稱(chēng)的非線(xiàn)性失真，這種“陰差陽(yáng)錯(cuò)，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(lì)級(jí)的跨阻非常大，故激勵(lì)級(jí)的輸入信號(hào)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(huì)問(wèn)：為什么要把激勵(lì)級(jí)的跨阻設(shè)計(jì)得非常大呢？

對(duì)于某一具體電路來(lái)說(shuō)，輸出最大電壓振幅是一定的，跨阻愈大開(kāi)環(huán)增益愈大，則激勵(lì)級(jí)的預(yù)失真輸入信號(hào)愈小。于是，激勵(lì)管在如圖 6 所示曲線(xiàn)的 Q 點(diǎn)附近的擺動(dòng)范圍更小，在這個(gè)非常狹窄的區(qū)間內(nèi)曲線(xiàn)更接近于直線(xiàn)，故非線(xiàn)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(dòng)對(duì)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(xiàn)性區(qū)的寬度，如圖 15 所示。過(guò)零處最陡的曲線(xiàn)發(fā)射極串聯(lián)電阻為 0，相鄰曲線(xiàn)串聯(lián)電阻依次增大 10 Ω，第十條曲線(xiàn)串聯(lián)電阻為 100 Ω，過(guò)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(chǎng)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(dòng)級(jí)，用大功率管作為輸出級(jí)，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(qǐng)參考葛中海編寫(xiě)、電子工業(yè)出版社出版的《音頻功率放大器設(shè)計(jì)》（第 198 頁(yè)及其后內(nèi)容）。

6 結(jié)語(yǔ)

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

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

（4）差動(dòng)放大器輸出的是正半波小、負(fù)半波大的預(yù)失真信號(hào)，與激勵(lì)管對(duì)信號(hào)放大的不對(duì)稱(chēng)性互相抵消，從而減小了不對(duì)稱(chēng)的非線(xiàn)性失真（本質(zhì)上輸出信號(hào)仍然是失真的）。

（5）激勵(lì)級(jí)由恒流源供電，能提高跨阻、增大開(kāi)環(huán)增益，使得激勵(lì)級(jí)的工作區(qū)更為狹窄、線(xiàn)性度更好，有利于改善非線(xiàn)性失真。

（6）差動(dòng)對(duì)管發(fā)射極串聯(lián)小阻值電阻，增加本級(jí)負(fù)反饋，可以擴(kuò)展線(xiàn)性工作區(qū)的寬度。為保證串聯(lián)電阻后開(kāi)環(huán)增益不降低，可適當(dāng)增大差動(dòng)對(duì)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(jì)[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(jì)(上)[M].周南生,等譯,北京:科學(xué)出版社,2004.

[3] 童詩(shī)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)