输入缓冲恒流源负载双环路反馈电流反馈型音频放大器的制作方法

本发明属于音频放大器，具体涉及一种电流反馈型拓扑放大电路，该电路既可采用分立元器件搭建实现，也能够通过半导体工艺制作成集成电路芯片，主要应用于音频前置放大、音频功率放大设备，同时可拓展应用于各类音频放大场景。

背景技术：

0、技术背景

1、目前模拟音频晶体管放大器主要有两大架构，分别是差分输入电压反馈架构（简称vfa）与电流反馈型架构（简称cfa）。差分输入架构压摆率较低，难以避免出现瞬态互调失真；电流反馈型架构可以做到非常高的压摆率，但是由于其电路结构固有缺陷，当放大倍数较高时无法工作在理想的电流反馈型状态，该架构用于音频放大效果并不理想。

2、图1为电流反馈型架构的通用拓扑结构，这个拓扑结构主要由输入缓冲器1，电流电压转换模块2，输出缓冲器3组成。其中电流电压转换模块2由电流控制电流源4与互阻抗z1组成。r1、r2、r3组成反馈网络，其中r3是输入缓冲器输出等效内阻。设输入端口5输入电压为，输出端口输出电压，当电流控制电流源时，其完整电压传输函数表达式为。当r3=0时为电流反馈型架构的理想电压传输函数，其表达式为。对比完整电压传输函数表达式与理想电压传输函数表达式，完整电压传输函数中分母的第三项，可知r3对整个电路的电压传输特性而言只有负面的作用。其主要负面作用为：弱化电流反馈型架构 “固定反馈电阻下带宽不随增益变化” 的核心特征，使带宽随着增益的增加而变窄；减小了环路增益增加了失真；误差电流在r3形成压降，造成输入缓冲输出电压无法跟随输入电压，引入失真。其中的值为放大倍数设定值，失真影响权重由r3阻值与放大倍数设定值的乘积决定，r3阻值越大、设定放大倍数越高，劣化效果越显著。该缺陷限制了电流反馈型架构在音频放大器中的应用。

3、图2为简化的电流反馈型架构的原理图框图，输入缓冲器1中恒流源is3与恒流源is4与d1、d2串联，在d1阳极、d2阴极产生偏置电压。通常取is3=is4，但是不可能绝对相等，r4为恒流源is3与恒流源is4非对称电流泄放电阻。输入缓冲器模块中q1、q2基极分别连接d1阳极、d2阴极。q1、q2的静态电流由d1阳极、d2阴极产生的偏置电压确定。理论上d1、d2、q1、q2在紧密热耦合的状态下，q1、q2的静态电流是稳定的；但无论分立元器件，还是芯片内部集成半导体器件均无法实现理想热耦合，导致 q1、q2 静态电流随温度大幅漂移，进而出现两类问题：一是电流过大烧毁器件，二是电流过小进入截止区。

4、图3为实际工程应用的电流型反馈架构原理图框图，要解决q1、q2静态电流不可控问题，需要在d1阳极串联 r11、d2阴极串联r12，q1发射极串联r13、q2发射极串联r14，在此把r11、r12、r13、r14统称为静态稳定电阻，通常取相同的阻值，其阻值大约20欧姆至100欧姆，电阻阻值越大q1、q2电流越稳定。电压传输函数中的r3为q1、q2作为射极跟随器固有输出内阻与上述串联静态稳定电阻阻值之和。 无论分立元器件搭建还是集成电路芯片，只要发射极串联静态稳定电阻，均会抬升r3；行业内长期存在技术矛盾：若要稳定静态电流则必须串联电阻，带宽、失真性能均恶化；若取消串联电阻则静态电流温漂失控。因此亟需一种兼顾静态电流稳定、低等效输出内阻，同时兼容分立搭建与芯片集成的新型电流反馈型输入缓冲拓扑。

技术实现思路

1、本发明全部元件、模块连接关系与权利要求记载技术特征一一对应，本发明的连接拓扑结构既可以用分立元器件实现，也可以用集成电路芯片实现。如图4所示，第一npn型有源放大管q1(以下简称q1)发射极连接第一恒流源is1(以下简称is1)电流流入端，is1电流流出端连接电源负极，q1的静态电流由is1设定电流确定，is1为q1作为射极跟随器的恒流源负载。第二pnp型有源放大管q2(以下简称q2)发射极连接第二恒流源is2(以下简称is2)电流流出端，is2电流流入端连接电源正极，q2的静态电流由is2设定电流确定，is2为q2作为射极跟随器的恒流源负载。本电路去除了在q1发射极、q2发射极及偏置支路上串联的静态稳定电阻。

2、第一反馈环路：第一电阻r15一端连接q1发射极与is1的连接节点，另一端连接输出缓冲器3的输出；第二电阻r16一端连接q1发射极与is1的连接节点，另一端接信号地；第一电阻r15与第二电阻r16构成第一个独立的分压反馈环路。第二个反馈环路：第三电阻r17一端连接q2发射极与is2的连接节点，另一端连输出缓冲器3的输出；第四电阻r18一端连接q2发射极与is2的连接节点，另一端接信号地；第三电阻r17与第四电阻r18构成第二个独立的分压反馈环路，两套反馈环路构成双环路反馈结构。

3、本发明拓扑取消所有静态稳定电阻，等效大幅降低输入缓冲器等效输出内阻r3，电压传输特性更趋近于理想的电流反馈型放大器；同时q1、q2静态电流由独立恒流源精准限定，不受温度、器件离散性影响；本发明可制成稳定可靠工作的甲类、甲乙类音频功率放大器，q1、q2具有稳定的静态电流，也就意味着电流控制电流源可以输出稳定的静态电流，通常情况下这一电流还用于产生功率输出管的偏置电压压降，这一电流的稳定是功率输出管静态电流稳定的基本条件。

4、关于放大倍数，其放大倍数近似表示为。由表达式可以发现处于对称位置的r15与r17、r16与r18并不需要精确配对仍然可以准确设置该电路的放大倍数。但是为了方便计算通常r15与r17、r16与r18分别取相等值，若取r15=r17=r1，r16=r18=r2，这样放大倍数就可以近似表示为。

1.一种去除电流反馈型音频放大器输入缓冲器中串接于有源放大管发射极的静态稳定电阻的方法，其特征在于：输入缓冲器设有两只互补有源放大管，两只有源放大管的发射极均不串联静态稳定电阻，且两管发射极不直接互连；每只有源放大管的发射极分别配置一路独立恒流源作为射极跟随器负载，通过对应恒流源单独限定该有源放大管的静态工作电流；两只有源放大管发射极与各自匹配恒流源的连接节点分别接一组独立反馈网络，形成双反馈环路；所述有源放大管、恒流源、反馈网络既可采用分立元器件搭建，也可全部或者部分集成于集成电路芯片内部。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述输入缓冲器包括第一npn型有源放大管q1（以下简称q1)、第二pnp型有源放大管q2(以下简称q2)；所述q1基极接偏置电压正极输出端，集电极接电流电压转换模块内电流控制电流源的控制电流流出端，发射极接第一恒流源is1（以下简称is1)电流流入端，is1电流流出端接电源负极，is1为q1作为射极跟随器的恒流源负载；所述q2基极接偏置电压负极输出端，集电极接电流电压转换模块内电流控制电流源的控制电流流入端，发射极接第二恒流源 is2(以下简称is2)电流流出端；is2电流流入端接电源正极，is2为q2作为射极跟随器的恒流源负载；本电路去除了在q1发射极、q2发射极及偏置支路上串联的静态稳定电阻。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：反馈网络包含第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻；第一电阻一端接q1与is1的连接节点，另一端接输出缓冲器输出端；第二电阻一端接q1与is1的连接节点，另一端接信号地，二者配合构成第一反馈环路；第三电阻一端接 q2与is2的连接节点，另一端接输出缓冲器输出端；第四电阻一端接q2与is2 的连接节点，另一端接信号地，二者配合构成第二反馈环路；两路反馈环路相互独立，无需反馈电阻高精度配对即可设定电路放大倍数。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第一npn型有源放大管q1为单一npn晶体管、两只npn管级联形成的同极性复合管，或一只npn管与一只pnp管级联形成的异极性复合管；上述晶体管既可为分立元器件，也可为集成电路芯片内部集成的半导体器件。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第二pnp型有源放大管q2为单一pnp晶体管、两只pnp管级联形成的同极性复合管，或一只pnp管与一只npn管级联形成的异极性复合管；上述晶体管既可为分立元器件，也可为集成电路芯片内部集成的半导体器件。

6.一种集成电流反馈型音频放大器的集成电路芯片，其特征在于：芯片内部集成输入缓冲模块，所述输入缓冲模块按照权利要求1至5任一项所述方法实现；芯片内部不在互补有源放大管发射极设置串联式静态稳定电阻；芯片内置第一npn型有源放大管、第二pnp型有源放大管与两路独立片上恒流源；q1、q2发射极不直接互连，各自对应连接一路片上恒流源作为射极跟随器负载；两只有源放大管与对应片上恒流源的连接节点可直接接驳片内反馈网络，也可通过外接引脚接驳片外反馈网络，所述反馈网络形成两路独立反馈环路。