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楼主 |
发表于 2026-8-30 10:45
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本帖最后由 筑明 于 2026-8-30 10:48 编辑
3.输出级
3.1驱动器与输出
输出级和输出网络如图所示。输出级为Locanthi三极管,具有两组输出对管。发射极电阻值为0.22Ω,当满足Oliver标准(R E两端电压为26mV)时,每对的空载电流为118mA,这降低了交越失真并扩大了A类工作区。峰值A类电流为4×118mA=472mA,相当于约1W输入8Ω时的电流。
三极管跟随器的使用在提供高输出电流和低失真方面起着重要作用。许多放大器仅采用双三极管跟随器(达林顿)输出级,当驱动晶体管β值为100且输出晶体管β值为50时,其总电流增益仅为5000。在驱动大电流且输出晶体管出现β值下降时,总电流增益可能更低。8Ω负载将向VAS的高阻抗输出节点呈现40kΩ的负载,当放大器输出100瓦时,VAS需提供1mA电流。这相当于VAS 10mA偏置电流的10%,并会显著改变工作点从而导致失真。当4 Ω 负载被驱动至200瓦且必须向β值下降更严重的输出级提供2mA或更多电流时,情况会进一步恶化。若2 Ω 负载被驱动至高功率且输出级承受更大β值下降时,情况将更加严峻。即使放大器并非设计用于向2 Ω 负载提供理论上的400瓦输出,这一问题仍需引起重视。三级发射极跟随器将提供100倍于前级驱动晶体管β值为100时的总电流增益。这相当于500,000倍的电流增益,当向2- Ω 负载提供20A电流时,VAS只需向输出级提供40μA。这也意味着在驱动2- Ω 负载时,VAS将承受1MΩ的轻负载。与某些输出级不同,Locanthi T电路中的前置驱动级和驱动级采用A类工作模式,这进一步有助于输出级实现低失真特性。
( 注:Oliver标准的核心由来是令外部发射极电Re等于BJT的动态发射极电阻re,此Re两端压降恰好等于热电压 VT≈26mV,从而使甲乙类输出级在静态与大信号极端下的输出阻抗一致,最小化交越失真。)
3.2.输出级与输出网络
驱动器发射极电阻由两个等值电阻(R5、R10)串联构成,用于提供测试用中心抽头。正常工作时30mA的驱动偏置电流通过消耗基极存储电荷,可快速关断输出晶体管。为抑制多输出对并联连接时可能产生的高频振荡,每个输出晶体管基极均串联连接有基极阻尼电阻。这些电阻采用4.7 Ω 、1-W金属氧化物薄膜(MOF)类型。
输出级发射极电阻器必须能够通过较大电流,并具备耗散数瓦功率的能力。同时,它们最好是非感性的。通常的做法是使用两个0.47Ω非感性绕线功率电阻器并联来替代RE。在该放大器中,采用了0.22Ω、3-W的 MOF 电阻器。这些电阻器几乎不具有电感特性,并能提供足够的功率耗散能力。因此,该放大器避免使用绕线电阻器。
RE电阻器中的总功率耗散可通过以下方式计算:由于R E产生的净输出电阻会按其在输出级中与负载电阻相比所形成的串联电阻比例,耗散部分传输至负载的功率。在此放大器中,RE电阻器在大信号条件下贡献的净输出电阻为0.11Ω,相当于4Ω负载的2.8%。若放大器向4Ω负载传输250W功率,则4个RE电阻器中的总耗散功率为7W,且每个电阻器的耗散功率均小于2W。这种功率损耗仅会在持续全功率测试中出现。为实现最佳功率耗散效果,发射极电阻器应采用垂直安装方式(一端从顶部引出并沿侧面延伸),或距离PCB板6mm距离安装。 MOF 电阻器能够在电路周期的短暂时段内承载大电流而不发生损坏或性能衰减。如上例所示,每个电阻器需承受5.6A的瞬时峰值电流,并产生1.2V电压降,对应的峰值功率耗散约为7W。
260V、15A、200W功率晶体管MJL3281A和MJL1302A采用穿孔发射极结构,可实现高f T(30MHz)以及在大电流下降低β值和f T下降率。这些晶体管还具有良好的安全工作区域。
保护二极管D2和D3连接在输出节点与各电源轨之间,当电感负载导致输出节点电压突然超过电源轨电压时,可防止输出晶体管发生反向偏置。反向二极管D1和D4接地连接于各电源轨,当出现电源轨故障(如某条电源轨失效)时,可避免电源轨电压发生反向极性变化。
在所有放大器设计方案中,电源轨退耦技术至关重要。具体实现时,会在功率晶体管处设置1000 μF 的旁路电路,以最大限度减少高频电流通过线路回流至电源。信号电流则倾向于通过旁路电容器进行局部循环传输。这些电容器的接地端相互连接,其节点再接入接地线网络,从而促进电流局部循环,并有效降低循环电流的净总量穿过主接地线。所有电解耦合电容器均采用0.1 μF 金属化聚丙烯薄膜电容器进行旁路。电源线与输出级之间的耦合效应已逐步从输出级回退至前置驱动器及IPS/VAS电路。这种设计通过抑制输出晶体管在高频段向驱动器和前置驱动器产生的意外耦合,进一步提升了输出三极管的稳定性。这些退耦网络的低R-C阻抗特性类似佐贝尔网络,能有效抑制导线电感导致的电源线高频谐振现象。此外,新增的电源线滤波功能为高灵敏度的IPS/VAS电路提供了更纯净的供电环境。为确保前级电路的电压裕度,这些R-C网络两端的直流电压降被严格控制在1伏以下。
3.3.输出网络
由C3和R13组成的主要R-C Zobel网络在高频下为输出级提供最小电阻负载,确保稳定性。其数值相对不关键,但此处采用了0.022 μF 和10 Ω的组合,该网络应物理位置靠近输出晶体管,并尽量减少布线电感。
31.6 Vrms对应约125 W输入8Ω时,10Ω电阻器在40 kHz下的功率耗散为0.6 W。采用2W金属氧化物薄膜(MOF)电阻器,避免了可能具有电感特性的绕线电阻器需求。这足以满足大多数正常工作条件及40 kHz以下的全功率测试需求。电阻器应距离PCB板外6mm安装。若持续存在严重的高阶寄生振荡,可能导致电阻器烧毁,但这将是用户最无需担心的问题。
由U3和R8组成的L-R串联网络通过在高频下将电容性负载与输出级隔离,从而保持稳定性。相对较小的Ω值和1.5 μH 为该放大器提供了足够的隔离效果。该网络在约230 kHz以上呈现电阻特性。线圈在20 kHz时的阻抗约为0.2 Ω。
当驱动8 Ω 负载时,这将导致20 kHz处的损耗小于0.03 dB。由于线圈在20 kHz时的阻抗上升至0.2 Ω,因此20 kHz处的阻尼系数(DF)将限制在约40。
在高功率水平下进行连续高频测试时,R8的耗散是一个需要关注的问题。
对于250 W输入到4Ω在20 kHz下的情况,1.5 μH 线圈两端会出现1.6 V rms电压,导致电阻器中耗散1.2 W功率。这种功率耗散随频率的平方增加。在40 kHz频率下对4- Ω 负载进行连续全功率测试时,耗散约为4.8 W。此处使用3-W MOF 电阻器,因为认识到在正常操作中高耗散情况较为罕见,这里应避免使用绕线电阻器。
在更高频率(如40 kHz)下进行全功率测试时,应控制在20秒以内。对2- Ω 负载进行全功率测试时,频率应限制在30 kHz以内。这些电阻器应距离PCB板外6mm安装。如果放大器在极高频率下出现持续振荡,电阻器耗散也是一个需要关注的问题,但这种情况下电阻器过热可能是最不严重的问题。
1.5 μH 输出线圈由12匝直径为0.5英寸的18 AWG 磁线组成,线圈长度约为 0.5英寸。此类线圈可独立使用,无需前板。切勿将线圈缠绕在R8上。应使用线圈掺杂剂或等效材料固定绕组并抑制振动倾向。亦可采用自粘磁线,其表面粘合层可通过热风枪激活。线圈电阻约为10 mΩ ,会导致部分功率损耗。线圈损耗与线圈电阻占负载阻抗的比例成正比。若10 mΩ 线圈负载4Ω,则线圈将耗散负载功率的0.25%。当输出功率为250W时,线圈耗散功率为0.6W。该数值较小,仅在连续正弦波测试中出现。线圈应尽可能远离任何铁磁材料,例如钢制外壳。 |
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