差动输入级功率放大器卓越品质实现路径之探讨

摘 要：本文从差动放大器的传递函数讲起，推导出差动对管集电极电流i_C1、i_C2是双曲正切函数，在差动输入电压u_id = 0附近的近似线性关系，通过对比发现差动输入级比单管输入级具有四大优势，但存在共模抑制比（CMMR）和电源抑制能力（PSRR）均较差的问题。随后，把“尾巴”电阻改为恒流源，并对电路的关键参数进行估算，让读者有一个数量级别上的直观感觉。接着就用镜像恒流源作为差动放大器的集电极负载，保证差动对管电流精确平衡，减小2次谐波失真；在差分对发射级串联电阻、引入本级负反馈，扩宽线性区。甚至考虑在激励级内插射极跟随器，激励级的总β值增大，使得本级负反馈的线性化效果增强。凡此种种“精益求精”的设计理念，使得音频功放实现从工程样机到商用产品的转化，为设计者提供绝佳的专业设计指引。

关键词：差动放大器；双曲正切函数；跨导放大器；跨阻放大器

好！关于差动放大器的传递特性为双曲正切函数的推导就进行到这里。下面谈一谈差动输入级与单管输入级功率放大器的异同点与优缺点。

2 与单管输入级功率放大器对比

图 4 是基本型差动输入级功率放大器，这种电路是不需要调整就能可靠地降低失真的少数电路形式之一。原因是差动对管的跨导由晶体管的工作性质决定，而不是依靠晶体管诸如 β 值等不可预期参数的匹配。这种电路具有稳定性高，能降低噪声与失真、抑制零漂、减小失调电压等优点，几乎是音频放大器的必选输入电路。

图4 基本型差动输入级功率放大器

作为对比，单管输入级功率放大器电路原理如图 5 所示。两个电路的激励级和输出级结构、参数均相同。区别主要有两点：一 是图 4 的反馈电阻 R3 与取样电阻 R4 比图 5 电路中的 R3 与 R4 均提升 10 倍（注：保持R3 ∶ R4= 20 的比值不变）；二是图 4 的输入级为双管组成的差动放大器，图 5 的输入级为单管共发射放大器。

关于第一个区别，为什么反馈电阻与取样电阻分别提高 10 倍呢？这是因为在差动对管参数对称的情况下，若要减小失调电压（静态时输出端电位），R2 必须等于 R3，而 R2 决定电路的输入阻抗，宜大不宜小。第二个区别，使用差动对管作为输入级最起码有如下四大好处。

（1）克服了单管输入级前置管 VT1 的静态电流（毫安级）通过反馈电阻（R3）的缺点；差动对管通过负反馈（R3）的静态电流只有微安级，可忽略不计。

（2）利用差动对管的 b-e 极间电压相互抵消，从而获得低失调电压。

（3）利用差动对管抑制共模信号，减小温漂。由于电路参数的对称性，温度变化时管子的电流变化完全相同（相当于缓慢变化的共模信号），故对温漂有很强的抑制作用。

（4）差动放大器的传输特性为双曲正切函数，曲线在 u_id = 0 附近近似于直线；而单管输入级在电流变化在 1 nA~1 A 范围内 I _C - U _BE 是精确的对数关系，即：

该函数的图像如图 6 所示，位于 Ⅰ 象限。显然，图 2 与图 3 曲线穿越纵轴附近的线性度远比图 6 所示曲线在 Q 点附近优秀——这似乎不是很多人知晓！

在分析交流放大的路径时，差动输入级可视为电压控制的电流放大器，图 4 差动对管 VT0 的 b 极相当于运放的同相端，VT1 的 b 极相当于运放的反相端；VT0 的 c 极接激励管 VT3 的 b 极，激励放大后变成高振幅电压，然后交由复合管推挽输出级进行功率放大。 电路的总输出相当于运算放大器的输出端。故从交流通路观察，差动输入级功率放大器可以简化为同相比例放大器，如图 7 所示。故，差动输入级功率放大器的闭环增益 A_u 为：

从听音效果上看，图 4 已经是一个不错的电路了。但它有一个明显的缺点：用 R1 作为差动对管的“尾巴”接电源正极供电，致使差动放大器的共模抑制比（CMMR）和电源抑制比（PSRR）都较差。若改由恒流源提供，因恒流源的交流阻抗很大，对共模信号具有较强的抑制作用（注：对差模信号相当于接地），则在 CMMR 和 PSRR 两方面都有卓越的表现。

图8 改进后的电路

3.5 闭环带宽

如图 9 为某个理想化的集成运放的开环幅频特性曲线，转折频率约为 7 Hz，在 7 Hz 以下开环增益为 107 dB 且基本不变。超过 7 Hz 随着频率的上升，增益 以 -20 dB/10 oct 的速率下降（注意：转折频率处的开环增益是近似的，精确值要比 107 dB 小 3 dB）。可见，集成运放的开环增益频率与差动输入级音频功率放大器一样。

实际上，开环增益在 5 Hz 左右开始减少，这表明集成运放在开环工作时宽带非常狭窄。好在集成运放线性工作时通常是闭环且引入负反馈，增益降低带宽增加。一般来说，用幅频特性曲线可以大致预测到闭环的带宽。例如，由集成运放组成的反相放大器的闭环增益为 100 倍（或 40 dB），在图 9 纵轴上找到 40 dB，向右延伸与开环特性曲线相交，该点横坐标就是闭环转折频率。由于在转折频率以上，增益以 -20 dB/10 oct 的速率下降，故当频率上升到 100 kHz 时，增益将减至 20 dB，它就是图 9 中的闭环增益曲线。

当不考虑转折频率的增益误差时，观察频点 10 kHz &40 dB 和 100 kHz&20 dB，因为 20 dB 与 40 dB 对应的放大倍数分别为 10 倍与 100 倍，居然有“10 kHz×100 倍 =100 kHz×10 倍”的奇妙现象。在电子学或控制系统领域，常常用增益带宽积来描述放大器的这种重要指标。

由式（11）可知，对于任意高于转折点的频率，增益带宽积可表示为：

可见，在 20~20 kHz 的频率范围内功放的增益是多么平坦！实际上，音频功率放大器不需要这么广阔的带宽，这时只需要在负反馈电阻 R8 的两端并联一只小容量的电容（容量几百皮法以下），就可限制闭环的带宽。

4 务必保证差动对管精确的直流平衡

图10

5 激励级的跨阻越大越好

差动输入级肩负的关键职责是从输入信号中减去负反馈信号产生误差信号，故激励级的输入是预失真信号，类似于图 11 所示的蓝色波形，正半波小（光标 1 指示 38 mV），负半波大（光标 2 指示 -72 mV）。因为晶体管的转移特性是指数函数，蓝色信号经晶体管非线性放大以后，输出信号的正、负半波幅度接近相等。

从反馈理论上分析，输入信号为正弦波，正、负半波对称，反馈信号是输出信号成比例的缩小——也是正半波大、负半波小，故差动放大器输出的预失真信号（误差信号）则是正半波小、负半波，如图 12 所示。从效果上看，预失真信号与放大器本身 对信号放大的不对称性互相抵消，从而减小了不对称的非线性失真，这种“阴差阳错，歪打正着”的现象正是负反馈的妙用！

实际上，由于图 10 激励级的跨阻非常大，故激励级的输入信号很小，如图 13 黄色波形所示，它远远小于图 11 所示蓝色波形。

读者可能会问：为什么要把激励级的跨阻设计得非常大呢？

对于某一具体电路来说，输出最大电压振幅是一定的，跨阻愈大开环增益愈大，则激励级的预失真输入信号愈小。于是，激励管在如图 6 所示曲线的 Q 点附近的摆动范围更小，在这个非常狭窄的区间内曲线更接近于直线，故非线性失真更小——这正是音频系统所期望看到得效果。

需要指出的是，图 10 所示差动对管发射极还分别串联 30 Ω 电阻，目的是为了扩展双曲正切函数线性区的宽度，如图 15 所示。过零处最陡的曲线发射极串联电阻为 0，相邻曲线串联电阻依次增大 10 Ω，第十条曲线串联电阻为 100 Ω，过零处斜率最小。

即便如此，由于图 10 所示电路最大输出功率只有十几瓦左右，与市场需求有较大的差距。故实际的商用功放往往都是用中功率管作为驱动级，用大功率管作为输出级，最大输出功率可达 50 W 以上。有关这方面的详细信息，敬请参考葛中海编写、电子工业出版社出版的《音频功率放大器设计》（第 198 页及其后内容）。

6 结语

（1）差动放大器的转移特性是双曲正切函数，线性度明显优于单管放大器的指数函数。

（2）差动放大器具有良好的抑制温漂的能力，结合“尾巴”恒流源抑制效果更为显著。另外，“尾巴”电阻改为恒流源，在 CMMR 和 PSRR 两方面都有卓越的表现。

（3）差动放大器的集电极设为镜像恒流源负载，能保证差分对管精确的直流平衡，大大减小 2 次谐波的失真。

（4）差动放大器输出的是正半波小、负半波大的预失真信号，与激励管对信号放大的不对称性互相抵消，从而减小了不对称的非线性失真（本质上输出信号仍然是失真的）。

（5）激励级由恒流源供电，能提高跨阻、增大开环增益，使得激励级的工作区更为狭窄、线性度更好，有利于改善非线性失真。

（6）差动对管发射极串联小阻值电阻，增加本级负反馈，可以扩展线性工作区的宽度。为保证串联电阻后开环增益不降低，可适当增大差动对管的“尾巴”总电流 ITAIL 。

参考文献：

[1] 葛中海.音频功率放大器设计[M].北京:电子工业出版社,2017.

[2] 铃木雅臣.晶体管电路设计(上)[M].周南生,等译,北京:科学出版社,2004.

[3] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

[4] SELF D. Audio Power Amplifier Design Handbook[M].4版.北京:人民邮电出版社,2009.

[5] GRAY P R, MEYER R G, HURST P J, et al. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits[M].5 Ed.2009.

(注：本文转载自必威娱乐平台 杂志2022年10月期)