專用集成電路設(shè)計(jì)(第十章)

1、第十章 輸出級(jí)失真輸出級(jí)失真及其機(jī)制 把輸出級(jí)的失真直接稱為第3種失真（見第三章）又可以細(xì)分為3種失真。第3a種失真代表A類和B類這兩種工作方式產(chǎn)生的大信號(hào)失真，主要由于晶體管中大電流擺動(dòng)引起； 對(duì)于功率三極管來(lái)說，大電流時(shí)值下降，導(dǎo)致電壓增益下跌，所以采用LSN代表大信號(hào)非線性，以區(qū)別于所有輸出電平均存在的交越失真和高頻關(guān)斷失真。 輸出級(jí)另外兩種失真只與B類以及AB類有關(guān)，與A類無(wú)關(guān)； 第3b種失真就是經(jīng)典的交越失真，由輸出特性的不順暢過渡產(chǎn)生，基本上與信號(hào)頻率無(wú)關(guān) 第3c種失真是關(guān)斷失真，因輸出高頻信號(hào)時(shí)器件不能迅速關(guān)斷和迅速推出關(guān)閉狀態(tài)而引起，與信號(hào)頻率密切相關(guān)。大信號(hào)失真（第3a種失真

2、） 第3a種失真即大信號(hào)非線性失真，這個(gè)“大”是指電流而不是電壓。不像交越失真，它的失真率主要取決于器件特性。由于輸出級(jí)的增益具有對(duì)稱性和壓縮特性，第3a種的參與失真基本上是3次諧波，也帶有一些2次諧波，則是因輸出級(jí)上下臂值不是良好地對(duì)稱下降所造成。 如圖為使用標(biāo)準(zhǔn)輸出管的無(wú)缺陷放大器實(shí)測(cè)失真。上方曲線顯示負(fù)載阻抗由8變換為4后，因大信號(hào)非線性產(chǎn)生的失真增大。無(wú)缺陷放大器驅(qū)動(dòng)8負(fù)載時(shí)輸出25W。如圖為大信號(hào)非線性實(shí)測(cè)圖。放大器輸出為50W/4，為減小噪聲的影響，對(duì)失真殘余信號(hào)作了64次平均化處理。 如圖為倒置達(dá)林頓輸出級(jí)的增益情況仿真。由于大電流時(shí)增益現(xiàn)將迅速，4的曲線下垂比較嚴(yán)重。 注意輸出

3、電壓的負(fù)半周這個(gè)下跌更陡峭，因此使得失真在含奇次諧波之外還含有偶次諧波。對(duì)射級(jí)跟隨器輸出級(jí)進(jìn)行的仿真，得到的結(jié)果也非常相近。大信號(hào)失真機(jī)理 當(dāng)負(fù)載阻抗減小，基本上不會(huì)向放大器提出更高的輸出電壓要求。因此，大信號(hào)失真很明顯是一種以電流為主的效應(yīng)，與流過輸出級(jí)器件的信號(hào)電流幅度密切相關(guān)。 與8負(fù)載相比，4負(fù)載使輸出器件的電流增大1倍，但這樣不會(huì)令數(shù)器件產(chǎn)生明顯的額外失真。關(guān)鍵是驅(qū)動(dòng)管流向輸出管b級(jí)的電流增大超過了1倍，這是由于輸出管在c級(jí)電流增大時(shí)值下跌所引起的。 值下跌究其根源在于高能級(jí)注入效應(yīng)（high-level injection effects）引起，此效應(yīng)屬于半導(dǎo)體物理學(xué)范疇而不是放大

4、器設(shè)計(jì)原理范疇。 不同型號(hào)器件的這一效應(yīng)應(yīng)有很大不同，因此選擇輸出管時(shí)必須考慮低于8時(shí)的需要。功率輸出管的并聯(lián) 當(dāng)確有必要時(shí)，使用并聯(lián)輸出管來(lái)處理額定功率輸出，而輸出管的并聯(lián)能有效降低大信號(hào)失真。值的下跌取決于c極電流，如果兩只輸出管并聯(lián)連接，c極電流被這兩只管一分為二，值下跌就大大減小。輸出管為單管時(shí)與輸出管為雙管并聯(lián)時(shí)的實(shí)測(cè)失真。輸出管型號(hào)均為MJ15024/MJ15025，放大器輸出60W/4。可以看出，雙管并聯(lián)后失真減至約為原來(lái)單管的1/1.9，是一個(gè)有價(jià)值的改善。更佳的功率輸出器件8多種型號(hào)大功率三極管隨著c極電流上升的值下跌情況。圖中值以0.5A時(shí)值等于100為基準(zhǔn)作歸一化處理，數(shù)

5、據(jù)來(lái)自生產(chǎn)廠商的規(guī)格書；值下跌越嚴(yán)重意味著大信號(hào)失真越大。3281/1302這對(duì)管的值下跌明顯處于與通常大功率三極管不同的級(jí)別，c極電流上升時(shí)其值仍保持得非常好。 使用一對(duì)3281/1302的放大器驅(qū)動(dòng)4和8負(fù)載時(shí)的失真如圖所示 與使用標(biāo)準(zhǔn)器件（MJ15024/MJ15025）相比，在2kHz8kHz范圍內(nèi)失真減至后者的1/1.4.對(duì)數(shù)對(duì)3281/1302進(jìn)行了同樣的測(cè)試，4負(fù)載的改善效果相同，就可重復(fù)性。910使用兩對(duì)3281/1302作雙管并聯(lián)時(shí)的實(shí)測(cè)失真。放大器分別輸出40W/8，80W/4。4負(fù)載時(shí)的失真為下圖的一半。驅(qū)動(dòng)低于4的負(fù)載 目前，集中研究低至4的負(fù)載，而揚(yáng)聲器阻抗經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)

6、低于4的情況，因此也做了3負(fù)載的測(cè)試。11使用一對(duì)3281/1302驅(qū)動(dòng)不同負(fù)載的實(shí)測(cè)失真。放大器輸出分別為8時(shí)20W、4時(shí)40W、3時(shí)50W。測(cè)試結(jié)果顯示。50W/3時(shí)10kHz失真0.006%。使用這兩種管子進(jìn)行雙管并聯(lián)的失真如下圖，下降為0.003%。對(duì)于這么簡(jiǎn)潔的電路，這樣的失真性能是出色的，或許可算是驅(qū)動(dòng)3的一個(gè)記錄。改善驅(qū)動(dòng)8負(fù)載的性能12比較上圖之間的8失真曲線，顯示出使用恒定值器件的改善效果超過J15024/MJ15025，8負(fù)載時(shí)10kHz失真由0.003%下降至0.002%，并且在正確設(shè)定偏置的情況下，交越失真產(chǎn)物沒有出現(xiàn)在1kHz的波形圖中。交越失真產(chǎn)物僅在4負(fù)載的情況下

7、能夠觀察到，并且感到失真正開始出現(xiàn)。交越失真（第3b種失真） 交越失真在交越區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，而交越區(qū)就是兩個(gè)輸出器件輪換開啟工作的中間過渡區(qū)。交越失真含有高次諧波，當(dāng)信號(hào)電平下降是，其失真率會(huì)上升，因而可能影響聽感。 三極管的Vbe-Ic特性曲線在起始階段呈指數(shù)變化，當(dāng)內(nèi)部射級(jí)電阻re占據(jù)主導(dǎo)作用時(shí)，特性曲線被拉伸呈直線特征。 1314射級(jí)跟隨器輸出級(jí)的增益-輸出電壓關(guān)系仿真結(jié)果如圖。表明交越區(qū)內(nèi)無(wú)法變?yōu)槠街钡木€形。仿真時(shí)偏置電壓從2.75V級(jí)進(jìn)至2.95V，級(jí)進(jìn)步長(zhǎng)25mV，對(duì)應(yīng)的靜態(tài)電流從極小到極大。15要求嚴(yán)格的輸出級(jí)靜態(tài)參數(shù)Vq 靜態(tài)工作電流大小不是影響交越失真的關(guān)鍵，Vq才是關(guān)鍵； 出色的16關(guān)斷失真（第3c種失真） 這種失真基于多個(gè)不同因素，很明顯要受到輸出器件和輸出電路的速度特性影響。要求嚴(yán)格之處在于輸出級(jí)能否令輸出管的be結(jié)反向偏置，以使得載流子被泄放、輸出管快速關(guān)斷，從而得到最高的速度； 產(chǎn)生影響的第二個(gè)因素是驅(qū)動(dòng)管e級(jí)或c級(jí)電阻的阻值。阻值越小，輸出管存儲(chǔ)電荷泄放速度越快。運(yùn)用這一判定原則設(shè)計(jì)電路可以明顯減小高頻失真。1718熱失真19放大器閉環(huán)后的失真20配用射級(jí)跟隨器