提高分立功放电源抑制比(PSRR)的研究

iflyingpig · 发表于 2020-4-22 18:05

本帖最后由 iflyingpig 于 2020-4-22 21:51 编辑

这是一个比较枯燥的帖子，记录了我对于分立功放电路研究的一个小的方向——输入级和放大级电源滤波电路，用以提高分立功放的PSRR。

我们知道，一般3阶功放，可以把电路分成3个部分：
1. 输入级
2. 电压放大级
3. 输出级
而4阶及以上（一般最多5阶）功放，可能有2到3个电压放大级。这里不做研究讨论。

在Dauglas Self的无缺陷放大器的电路图中，我们可以看到在负电压轨上，为输入级和电压放大级插入了一个RC滤波，这个RC滤波的电容值非常大，高达1000uf.

图1 ：无缺陷放大器，这图是双对管的无缺陷放大器，和单对管的区别不大。

红框中的就是我所说的RC滤波器。
首先是第一个问题，为何只有负电压轨有这个设计，而正电压轨没有？
原因其实很简单，负电压轨对干扰的抑制能力差，为了证明这点，我在Multisim12进行了仿真。
仿真的电路是1：1Copy的无缺陷放大器。

图2：Multisim仿真电路图，正电源轨和负电源轨的纹波分开注入：
测试电路图.jpg

当我们使用AC仿真法仿真"输出纹波幅度vs频率曲线"，一张在正电源轨注入1V RMS纹波，一张在负电源轨注入1V RMS纹波，同时设置仿真带宽为0-10Mhz
当把两张图拼合在一起对比后，我们能发现，负电源注入纹波能让在输出端产生更多的纹波。
这就意味着，负电源轨的PSRR（电源抑制比）远低于正电源轨

正负电源轨分开注入纹波.jpg

这恐怕就是Dauglas只在负电源轨添加RC滤波的原因。

同时分析电路我们不难发现：
正电源轨连接的是恒流源管，对纹波的抑制能力高，而负电源轨上连接的是放大管，这就是这个电路正负电源柜PSRR不同的内在原因。

然而，在实际设计电路的时候，我发现，即使使用高达2200uf的电容，这个RC电路对低频纹波的滤波能力也是非常有限
而且2200uf的电容实在是体积太大，成本太高，是否能有个廉价小体积的解决方案？

显然是有的：
1. 有源滤波
2. 稳压电源
3. 输入级/电压放大级和输出级使用不同的电源

限于成本，DIY也要考虑成本，不是吗？
我无法让输入级和电压放大级使用不同的电源，同时为输入级和电压放大机构造稳压电源成本也太高，体积还不一定小，最主要的是，稳压电源的压降会大幅压缩功放输出的有效功率。

所以我采用了第4种方案：
有源滤波+RC滤波

电路图很简单，如下:

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设计思路也很简单，低容值的RC负责高频端，有源滤波负责低频段，两者结合，理论上性能会强过高容值RC滤波。

可是，究竟效果能有多好呢？让我们仿真一下看看。

首先，在负电源上对比：
无滤波---大电容RC滤波---有源+小电容RC滤波，在同一张图中绘制"输出纹波幅度vs频率曲线"，同时仅在负电源注入纹波
负电压滤波.jpg

我们可以发现，有源+小电容滤波，在低频段的滤波能力比大电容RC滤波更胜一筹。
真是让人欣喜的结果。

接着，在正电源上对比：
无滤波---有源+小电容RC滤波
正电压滤波.jpg

有源+小电容RC滤波在音频带内，也带来了积极的作用。使已经很高的正电源轨PSRR得到了强化。

总结：
对于分立功放，对输入级和电压放大级的电源轨进行“有效”的滤波，能有效提高功放的PSRR
同时，有源滤波+RC小电容方案，是一个极具性价比的方案，将会应用到我新一版的功放设计中。

我的文章同步到了自己的公众号，欢迎来看看哦

jamesgjh · 发表于 2020-4-22 18:31

你的图中偏置管ce间的电容最好不要省掉，这个电容有利于提高带宽和降低失真。

iflyingpig · 发表于 2020-4-22 18:50

本帖最后由 iflyingpig 于 2020-4-22 19:23 编辑

jamesgjh 发表于 2020-4-22 18:31
你的图中偏置管ce间的电容最好不要省掉，这个电容有利于提高带宽和降低失真。

这个电容在实际制作的电路中会有的，有作用，仿真不加没啥问题，目的是为了仿真PSRR

swsw4321 · 发表于 2020-4-22 20:02

学习，这些小细节会忽略，却非常关键啊

zxb · 发表于 2020-4-22 20:45

学习一下

oyf.fly · 发表于 2020-4-22 20:49

谢谢分享！！！

qaws · 发表于 2020-4-22 21:27

多谢🙏

qaws · 发表于 2020-4-22 21:29

多谢🙏

qaws · 发表于 2020-4-22 21:31

多谢🙏

rockbbs · 发表于 2020-4-22 21:39

这个研究有一定的查考价值

gxcrt111 · 发表于 2020-4-22 22:00

学习，如果正负都用有源滤波会不会更好一些呢

gxcrt111 · 发表于 2020-4-22 22:06

没仔细看，正负已经都有了，效果不错

一泻千里 · 发表于 2020-4-22 23:43

实在不好意思又要反驳一下，我当初在做无缺陷也发现电源纹波问题，在输出端能测到整流纹波，我认为无缺陷的简单RC滤波并不好，然后改成正负三端稳压给输入级电压级供电，结果并没有变化，实测还是有纹波存在，现在我采用大功率三端稳压给整体功放供电，包括推动管和功率放大管，纹波在示波器上彻底消失了，推断是推动和功率级也会引入纹波。这些都是实测，不是仿真。

iflyingpig · 发表于 2020-4-22 23:50

一泻千里发表于 2020-4-22 23:43
实在不好意思又要反驳一下，我当初在做无缺陷也发现电源纹波问题，在输出端能测到整流纹波，我认为无缺陷的 ...

也许是PCB布线的问题更大一点。
我制作的功放线路，图纸类似Blameless，实测输出噪声不记权35uV RMS，用示波器是无法量到纹波的。
没有用三端整体稳压，就简单的RC滤波在负电源。

最后的发烧 · 发表于 2020-4-22 23:51

加个二极管和电容隔离就不错了

zergxia · 发表于 2020-4-22 23:56

看看隐藏部分

GHO · 发表于 2020-4-23 04:48

谢谢分享！

一泻千里 · 发表于 2020-4-23 07:00

iflyingpig 发表于 2020-4-22 23:50
也许是PCB布线的问题更大一点。
我制作的功放线路，图纸类似Blameless，实测输出噪声不记权35uV RMS， ...

35uv？能把功放图纸发来看看不？

wuxiang · 发表于 2020-4-23 07:39

先回复了来看一下。

牛骑兵 · 发表于 2020-4-23 08:10

学习一下！

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