降低 JLH1969 放大器 THD 失真的電路分析研究

wensan

降低 JLH1969 放大器 THD 失真的電路分析研究


JLH1969 這個 A 類放大器似乎極受歡迎，看到很多人都在談論這個電路，有很多論點其實並不正確，有些觀點似是而非，甚至有些說法是很荒謬的！所以之前我用 Multisim 進行了一系列仿真，藉以了解 JLH1969 這個放大器阻尼係數和輸出阻抗的測量及電路分析計算。這次我則是要用 Multisim 進行一系列仿真，藉以了解 JLH1969 這個放大器該如何選擇元件、調整數值，將 JLH1969 這個放大器調整到最佳的工作狀態，把 THD 失真降到最低。

我所使用的 Multisim 版本為

Multisim Power Pro Edition
Application version: 13.0.0 (13.0.632), Database version: 13.0.a


本文所使用的元件模型全都是 Multisim 自帶的元件庫裡的元件，未經修改。


圖一. 為我用 2N3055A 和一些比較普遍的 BJT 電晶體用 Multisim 所畫的 JLH1969 放大器電路。我反覆調整 R2 跟 R7，將輸出中點調整為 13.5V，輸出功率電晶體的靜態電流約為 1.2A。在 1KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真為 0.069%。

JLH1969-3055-THD-2k2

圖二. 則是在 10KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真為 0.086%。

JLH1969-3055-THD-2k2-10k


我想凡是玩電子的，應該都在學校課堂上學過老師講的那種這個也忽略、那個也忽略，該忽略的不忽略，不該忽略的卻忽略的“電路分析法”。當在分析 BJT 電晶體的電壓增益時，最後的結論就是 Voltage gain ≒ Rc / re。也就是說 BJT 電晶體 E 極接面的阻抗才是決定 BJT 電晶體電壓增益的關鍵。

下圖是 2N3055A 的 B - E 極的 I-V 曲線，是個“指數型”曲線。

2N3055A-BE

下圖是 BD137 的 B - E 極的 I-V 曲線，當然同樣也是個“指數型”曲線。

BD137-BE

當 BJT 電晶體的偏流越大，工作點就離的 I-V 曲線的轉折點越遠，電晶體 E 極接面的阻抗也越小，那麼 BJT 電晶體的電壓增益也會變大，而且更線性，失真也低。所以想要降低失真很簡單，只要加大 BJT 電晶體的偏流就行了！但是，BJT 電晶體的偏流越大，消耗的功率也越大，所以要加大 BJT 電晶體的偏流也不是沒有限制。

好，接下來我們就用仿真來驗證看看，加大 BJT 電晶體的偏流能不能降低失真。

由於 A 類放大器的輸出級的偏流本來就很高，再加大輸出級的偏流會嚴重影響到功率放大器的電源利用效率，但除了輸出級的電晶體之外，其他的電晶體就沒這個顧慮，只要電晶體承受得了就行。

我們先調大JLH1969放大器電路中 Q3 的偏流看看。

圖一. 中 Q3 的偏流為 10.8mA，將 R2、R9 改成 100Ω，然後反覆調整 R1、R7，將輸出中點調整為 13.5V，輸出功率電晶體的靜態電流約為 1.2A。最後如下圖所示， 在 1KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真降為 0.033%。在 10KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真降為 0.051%。

JLH1969-3055-THD-100

JLH1969-3055-THD-100-10k

將 R2、R9 改成 47Ω，然後反覆調整 R1、R7，將輸出中點調整為 13.5V，輸出功率電晶體的靜態電流約為 1.2A。最後如下圖所示， 在 1KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真降為 0.022%。在 10KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真降為 0.050%。

JLH1969-3055-THD-47

JLH1969-3055-THD-47-10k

Q3 的偏流調整很簡單，但 Q4 的偏流調整就需要點技巧。
首先，JLH1969雖然是“電壓串聯負反饋”電路，JLH1969也是“電流反饋運算放大器”(current feedback operational amplifier)。R3、R4 這個“電阻分壓反饋電路”的“輸出阻抗”事實上就 Q4 的 Re，可以決定 Q4 這個輸入級的電壓增益。所以我就把 R3、R4 改成原來的十分之一，當然 C1、C3 也要改大才行。 至於 R8 的阻值就比較難決定，R8 調大雖然開環增益大些，可以降低失真，但 Q4 的偏流卻變小，會使失真變大。所以 R8 的調整必須一點一點地改變，一邊測試 THD 失真的變化，找出 THD 失真最低時 R8 的阻值。

下圖所示， 在 1KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真降為 0.018%。在 10KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真降為 0.017%。

JLH1969-3055-THD-N47

JLH1969-3055-THD-N47-10k

下圖所示， 在 1KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真降為 0.017%。在 10KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真降為 0.016%。

JLH1969-3055-THD-NN47

JLH1969-3055-THD-NN47-10k

有人會懷疑降低 R2、R9 的阻值不是應該會降低電壓增益嗎？
關於這一點，我們來看看圖一. 中的 Q1 的 B 極的輸入阻抗是多少。
圖一. 中的 Q1 的 B 極的 V(p-p) 是 65.9mV，I(p-p) 是 13.6mA，65.9mV / 13.6mA = 4.84Ω。以前在學校課堂上老師講的那種這個也忽略、那個也忽略，該忽略的不忽略，不該忽略的卻忽略的“電路分析法”一定會告訴你並聯的阻值只要大個五倍、十倍就可以忽略。所以 R2、R9 就算降到 25Ω，電壓增益也不會有明顯的下降。甚至由於 Q3 的偏流增加，使得 Q3 的 E 極接面的阻抗降低，Q3 的電壓增益會增加， 所以整體來說，開環路增益反而增加！

下圖所示將 R2、R9 改成 22Ω， 在 1KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真降為 0.011%。在 10KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真降為 0.012%。而 Q3 的偏流為 49.1mA，功率消耗約在 0.7W~0.8W，也不算高。

JLH1969-3055-THD-NN22

JLH1969-3055-THD-NN22-10k

以上，這一系列的仿真驗證，證實了先前加大 BJT 電晶體的偏流能降低失真的推論。這樣就結束了嗎？

還沒，還沒，我還要談談 JLH1969 放大器原始電路的“缺陷”！

在談 JLH1969 放大器原始電路的“缺陷”之前，我們先來了解一下喇叭的阻抗變化。
下面幾張圖是喇叭阻抗隨頻率而變的曲線圖。由圖中可看出喇叭阻抗變化之劇烈。

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4

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一般的推挽 A 類放大器在喇叭的阻抗變低，喇叭需求的電流超過 A 類的工作範圍時，會越過 A 類的工作範圍變成 AB 類的方式工作。JLH1969 放大器的電路結構應該可以像一般的推挽 A 類放大器一樣越過 A 類的工作範圍變成 AB 類的方式工作。但 JLH1969 放大器的原始電路卻由於某些問題而不能越過 A 類的工作範圍變成 AB 類的方式工作。

我們重新來看看圖一. 這個電路仿真。JLH1969 放大器的原始電路將 R2、R9 的阻值設的很大，Q3 的偏流為 10.8mA，Q1 的 B 極電流則高達 10.5mA。也就是說 Q3 的偏流沒有留餘裕，幾乎全部給了 Q1 的 B 極，  只要 Q1 截止，Q3 也很快會截止。所以當喇叭需求的電流超過 A 類的工作範圍時，JLH1969 放大器的原始電路的輸出會出現削波的現象。如下圖所示。

JLH1969-3055-THD-O4

JLH1969-3055-THD-O4w

下圖是將 R2、R9 改成 22Ω 的電路仿真， 由於 Q3 的偏流加大，當喇叭需求的電流超過 A 類的工作範圍時，便可以越過 A 類的工作範圍變成 AB 類的方式工作，輸出不會出現削波的現象。

JLH1969-3055-THD-NN22-O4

JLH1969-3055-THD-NN22-O4w


談完 JLH1969 放大器原始電路的“缺陷”之後，我們來研究看看該怎麼選用合適的電晶體。

為了研究怎樣的電晶體能有較低的失真，我做了下面三十個電路的仿真。

No1

No2

No3

No4

No5

No6

No7

No8

No9

No10

No11

No12

No13

No14

No15

No16

No17

No18

No19

No20

No21

No22

No23

No24

No25

No26

No27

No28

No29

No30


我將上面這三十個仿真的數據紀錄成下面這張圖表。

WSK1969 Table


首先，從這個表中可看出 Q4 換了各種型號，但 THD 失真幾乎都沒什麼變化。所以 Q4 只要選擇低雜音的小信號電晶體即可，沒有其他要求。但 Q1、Q2、Q3 換了各種型號，THD 失真就有很大的變化。

下面是幾個大功率電晶體和中功率電晶體的 B - E 極的 I-V 曲線和 Ic 的特性曲線。

BD137-BE

BD137-IV

BD137G-BE

BD137G-IV

MJE340-BE

MJE340-IV

MJE340G-BE

MJE340G-IV

2N3055A-BE

2N3055A-IV

2N3773G-BE

2N3773G-IV

MJ802-BE

MJ802-IV

MJ802G-BE

MJ802G-IV

MJ14002G-BE

MJ14002G-IV

MJ15003G-BE

MJ15003G-IV

MJ15024-BE

MJ15024-IV

MJ15024G-BE

MJ15024G-IV

MJ21194-BE

MJ21194-IV

MJ21194G-BE

MJ21194G-IV


仔細對照這些電晶體特性曲線和圖表中的數據會發現，B - E 極的 I-V 曲線越陡峭，代表電晶體 E 極接面的阻抗越小，電壓增益越高，會有較低的 THD 失真。以及電流增益 HFE 越穩定，也就是 HFE 不會隨 Ic 變化而變化的電晶體，會有較低的 THD 失真。反而電晶體電流增益 HFE 的高低似乎並不重要！例如圖表中 No.2 的 Q1、Q2 的偏流為 1.25A，但 Q3 的偏流卻高達 64.1mA，這表示 Q1、Q2 這個電晶體 MJ21194G 的 HFE 特別低，但是 MJ21194G 的 B - E 極的 I-V 曲線很陡峭，電流增益 HFE 很穩定，所以 THD 失真特別低。  


以上便是我對降低 JLH1969 放大器 THD 失真的電路分析研究。

在此，我必須特別強調我只是在展示一個降低 JLH1969 放大器 THD 失真的“過程”，而不是說各位照著我的電路圖的型號、數值去裝配電路就一定能達到最低的 THD 失真！各位必須照這個“過程”，一步一步地去測試、調整，將電路調整到最佳的工作狀態，才能達到最低的 THD 失真。當然，前提是各位必須要有一台 THD 失真測試儀才行！


最後，我完成的電路如下圖所示。在 1KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真為 0.003%。在 10KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真為 0.008%。

JLH1969-3055-THD-NN22-FIN

JLH1969-3055-THD-NN22-FIN-10k


我還要發表一個 AB 類的電路如下。在 1KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真為 0.014%。在 10KHz、0.5Vp 輸入的狀況下，測試其 THD 失真為 0.056%。1KHz 的輸出阻抗為 0.0653Ω。10KHz 的輸出阻抗為 0.0571Ω。

JLH1969-3055-THD-NN22AB-FIN

JLH1969-3055-THD-NN22ABw-FIN

JLH1969-3055-THD-NN22AB-FIN10k

JLH1969-3055-THD-NN22ABw-FIN10k

JLH1969-3055-THD-NN22AB-FINZ

JLH1969-3055-THD-NN22AB-FIN10kZ

JLH1969-3055-THD-NN22AB-FINDF

忧郁绵羊

wensan 发表于 2014-4-19 23:09
前面將兩個輸出管其中一個電流電流增益減半的仿真說明輸出管必須配對才能將 THD 失真降到最低。

接下來還 ...

呵呵   我经过好多次仿真  之前也发现了   而且 r2  和r9 要一样大  失真才小   
但hood  好想是故意让r2  很大 因为这样偶次失真大     我觉得它不可能不知道r2变小  r1变大失真会更小  这样只是让偶次谐波变小了   

忧郁绵羊

楼主 太没节操了    这么多图图   我得好好看看    先占个沙发

mykuw

厉害，用数据说话，THD是很低了，有没有人做一个试试？

lysohu

支持Wensan兄! 每帖都是精品啊!!!

jiangsong8068

楼主讲的很详细，受益匪浅。谢谢！

wfllsw0

楼主深入分析细致到位，我等新手受益良多。。。谢谢分享！

drb888

分析得非常透彻，对我的启发很大，受教了，谢谢！

晗晗

支持Wensan

hgpx

楼主很用心做了一系列实验，但THD只是一个指标，音响很讲究听感的，不知改动后听感如何？也希望楼主试验试验。

ipoeer

好好拜读拜读，，，，

waocj

Wensan老師又開課了，支持

請問AB類的電路，末級靜態電流是多少?

爱情欠条

谢谢楼主分享！

weijie.pan

先收藏，有空慢慢看

yk620

这样指标很好啊

菠萝

Wensan大侠，看您以前的帖子，很多都是用的pspice仿真。怎么最近换用Multisim了？
想知道pspice和Multisim都有什么异同？

sky_kiss

看到了吗，这个就是专业！

wensan

waocj 发表于 2014-4-9 01:26
Wensan老師又開課了，支持

請問AB類的電路，末級靜態電流是多少?

下圖可看出各級靜態電流。

wensan

菠萝 发表于 2014-4-9 05:17
Wensan大侠，看您以前的帖子，很多都是用的pspice仿真。怎么最近换用Multisim了？
想知道pspice和Multisim ...

我的 Pspice 版本太舊了，所以已經好幾年沒用 Pspice 了。
現在入境隨俗，用 Multisim、Tina-TI 和 LTspice。
Multisim 和 Tina-TI 比較像，LTspice 和  Pspice 比較像。
都很容易上手。不過 Pspice 的元件庫比較好找，大廠都支援 Pspice 。

wensan

附上幾個仿真文件供大家驗證。

wensan

對於 BJT 電晶體，大家都太專注在電流放大的特性上！

本文的重點在提醒大家， BJT 電晶體 E 極接面的阻抗才是決定 BJT 電晶體電壓增益的關鍵。