[发明专利]面向电流的S类放大电路

说明书

一、技术领域

本发明涉及模拟电子领域的信号放大电路，尤其是对于失真、转换速率和频率响应要求极高的音频功率放大电路。

二、背景技术

1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁、布拉顿三人发明了晶体管。与电子管相比，晶体管有许多优点：体积小，重量轻，寿命长，耗能低，制造工艺简单，使用时不需预热。晶体管渐渐在大多数领域取代了电子管，但是仍然都无法完全取代电子管，特别是在Hi-Fi(High-Fidelity：高保真)音响领域和专业音频处理领域。晶体管制作的放大器虽然指标更高，却因为奇次协波失真太多，听感不佳。反而电子管音频放大器至今还依然拥有大量的发烧友。

实际上在晶体管发明以前，就已经确定了放大电路的基本思路，晶体管出现之后，虽然放大电路经历了很多的发展，有很多晶体管的放电电路出现，但是放大电路的根本思路仍然没有变化，依然沿用了电子管时代的的面向电压的放大思想、

说到底电子管是一个电压输入电流输出的电子器件，电子管的输出电流和输入电压成比例的线性关系。而晶体管则是电流输入电流输出的电子器件，输出电流和输入电压并不是线性的关系，而是呈对数关系。因此依然沿用电子管的电压输入电流输出的放大电路思想来设计晶体管功放，不可避免会引入很多非线性失真。因为输入信号是电压的关系，输入电压的某些取值范围会造成三极管闭合，而三极管重新打开过程的时延降低了整个放大电路的转换速率，并引入了新的开关失真。还因为采用电压负反馈，过慢的转换速率使得反馈电压滞后于输入电压而进一步加大了失真。电压输出的情况还会在遇到非线性的负载时会被负载的反电动势所干扰，引起动态失真。

自从晶体管出现以来，将近60年的时间里，人们一直沿用电子管的电压放大理论，没有真正成熟的适用于晶体管电路的放大思想出现。难怪晶体管在音频放大领域走的这么艰难，晶体管还远远没有发挥出它应有的水平。

目前现有标称电流放大的电路，有两种，一种是在传统放大电路的基础上修改部分电路为电流激励，但是整体还是以电压放大为核心，远远没有解决电压放大的种种问题。另一种是使用镜流源的引申出的具有放大比例的镜流电路，这种电路结构复杂，需要的元件数量多，设计和实现都很麻烦，因此很少被使用。

要设计真正面向电流的放大电路存在一些尚未解决的技术难题：

1.因为输入信号为电压，因此需要一个非常优秀的压变电流单元将输入电压信号转变为电流信号，而设计一个低失真高速的压变电流单元本身就是一个难题。

2.电流放大电路偏置电流也是一个设计上的难题。各放大级采用电流直接偶合的情况下，偏置电流每经过一级晶体管就会增加100倍左右，制作一个可用的放大电路的偏置电流往往会达到几A甚至几十A，远远超过正常可承受的范围。

3.目前的电流放大电路都只能放大电流，而无法同时放大电压，而功率输出要求的恰恰是电流和电压同时放大的结果。

三、发明内容

为了设计一种真正适用于晶体管的成熟的面向电流的放大思想，我克服曾经学过知识的桎梏，从最根本的三极管电流特性入手，本着简洁至上的精神，经过了近一年业余时间的设计和试验，设计出了一套面向电流的放大理论，并经过试验证明切实可行。

首先晶体管三极管是一个电流输入电流输出的器件，在物理模型上可以近似的看作一个放大比例为β的电流控制型电流源(CCCS)，简称流控电流源。我先以流控电流源说明我的放大电路的思想。

虚拟负载

背景技术中已经提到，目前电流放大未解决的输入的压流转换，偏置电流，和电压放大等问题。为了解决这些难题，我引入了自己独创的“虚拟负载”的概念。“虚拟负载”是一个纯电阻特性的器件(实际电路中采用没有电感的精密电阻)，使得输入信号完全加在虚拟负载上，由此产生的电流将被采样作为输入电流信号。经过采样的输入电流信号送入流控电流源中进行放大，经过流控电流源放大之后的大电流信号直接作为输出电流加在负载之上，由输出电流在负载上产生的压降来完成电压放大。见图1。最后的放大电路的电压放大倍数是公式一：

电压放大倍数＝负载电阻×电流放大倍数β÷虚拟负载电阻