PM-AB2 功放的仿真分析

城东大头

Pavel Macura 的 PM-AB2 功放设计简洁、性能优秀，下面就用 LTSpice 对它一探究竟。

先找一个对照组，选 Goldmund 330，下图是它的输出级偏置情况。



从图中可看出这是固定偏置，上下管栅极间电压稳定在1.4V。每对MOSFET管静态电流127mA。输出管工作时有关断，输出管的开启电压在0.54V。这些参数都能从ECX10N20的转移特性曲线上找到对应。

仿真THD分析：
1kHz，1W/8Ω，THD=0.000333%
1kHz，150W/8Ω，THD=0.008362%
20kHz，1W/8Ω，THD=0.004752%
20kHz，150W/8Ω，THD=0.151027%



1、PM-AB2 的输出级偏置情况

图中恒流源6mA。R5=6.4k。



蓝色线是两功率管栅极间的电压（Va-Vb)。低频率、小信号情况下稳定在8.14V。当高频、大信号时，随着失真的增大，误差校正（EC）开始起明显作用，Va-Vb电压会出现明显的波动。
青色线是上管M1的栅极电压，在1.04V至5.98V间变化。
红线是上管M1的电流。M1的开启电压3.28V，低于此电压，M1的电流维持在一个微小的电流，0.34mA。



R5确定输出管栅极偏置电压，决定静态电流的大小。R5减小，偏置电压变大，静态电流上升。R5=8.2k时，静态电流10mA。R5=6.4k时，静态电流178mA。

给功放输入一个从+1V到-1V线性变化的直流信号，可得到输出级的翼展图。



这是R5=6.4k时的翼展图。粉色线反映了蓝色Vout波形线性的变化，Vout性线的微小变化都会在粉色线中表现出来。图中从70ms - 426ms之间，粉色线是一条完美的水平线，说明PM-AB2线性极佳。
红色和绿色线显示输出管M1和M2的Id的变化，两线交叉处就是静态输出电流。


调整R5的值，可将功放调到最佳性能。从10k开始，逐步减小R5，同时观察翼展图、分析THD失真，R5减小到翼展图中看不出线性失真，此时就是最佳状态。



反复调整R5，会发现一个结论，MOSFET的最佳偏置电流在150mA-200mA之间。此结论实际在其他类型的MOSFET功放中也适用。

2、EC 电路的作用分析

断开运放，输入信号直接接到Q4、Q7的发射极，此时我们只考察输出级。断开R15、R16交点与Out的连接，EC就不起作用。比较EC停用和启用后的工作状态和性能，就能搞清EC的作用和效果。





输出级失真从1.085690%降低到0.069167%，减小15.7倍，-24dB。效果明显，有了EC，即使做成无全局负反馈功放，THD已可接受。如无EC，1%失真，这样的无负反馈功放是不可接受的。





输出级无EC时增益0.828，有EC时增益非常接近1。图中也可以分析出C1、C2的作用。这个比较否定了EC是负反馈的假设，因为负反馈闭环增益必定是小于开环增益的。
EC使输出级频宽大大增加。

3、PM-AB2 的性能分析













526kHz/-3dB带宽。20kHz方波完美，转换速率30V/us。
1kHz，18W/4Ω，THD=0.000315%
20kHz，18W/4Ω，THD=0.004648%

城东大头

4、PM-AB2 的改进

原PM-AB2功放，运放不是轨到轨损失几伏电压，MOSFET的开启电压大也损失了几伏电压，导致功放输出摆幅受限（只有14V Vp），电源利用率低。输出功率也降低了这功放的实用性。

功率管改成便宜、易购的IRFP240/IRFP9240。

要提高输出功率，同时保持极简的电路特色，运放的选择是难题，一般运放工作电压在±15V需加一级电压放大才能满足最大摆幅的要求。但这让电路复杂了，PASS。转向高压运放，LTC6090、OPA445、OPA452、OPA453等，可选的不多，综合考虑BGW、转换速率、最大输出电流，觉得OPA453用在这里最合适。不过OPA453不是单位增益稳定的运放，补偿计算要复杂。

OPA453，±40V供电，GBW 7.5MHz，转换速率23V/µs，输出电流50mA，短路输出电流125mA，直接驱动MOSFET完全没问题。加上合适的散热器，完全不用担心功耗和温升。

OPA有三种封装：TO-220 (TA)-7、 TO-220 (TA-1)-7、DDPAK (FA)-7。



国外也有使用OPA453制作功放的，但极少，没什么经验可供借鉴。不过没关系，我们有强大的仿真工具。





首先，改供电电压。运放和偏置/驱动电路±40V供电，输出MOSFET管±36V供电。±40V可用一小变压器供电，但一定要稳压后提供，以提高功放性能，同时也避免电压波动烧毁运放。这样分开供电，可保证输出管能被充分驱动，也降低了输出管的功耗。增大上下恒流源电流，从6mA增大到10mA，更好地驱动MOSFET。
然后，更改补偿方式，具体见图中。





526kHz/-3dB带宽。
1kHz，1W/8Ω，THD=0.000009%
1kHz，50W/8Ω，THD=0.000063%
20kHz，1W/8Ω，THD=0.000292%
20kHz，50W/8Ω，THD=0.023114%

如果电路要实用化，三极管要换成耐压更高的，还要加上输出端贝茹尔网络、输出管短路保护、扬声器保护等，这里就不细説了。

LTSpice是一款免费的强大的仿真工具，使用得当，可以大大提高我们设计、分析电路的能力。

MT4S301

有趣的技术贴，没想到误差校正效果这么明显。。。
楼主Exicon管子模型从哪里来的？