Ultra Symmetry 平衡式前级放大器
时间:2012-09-22 13:14 来源:www.diysong.com 作者:admin 点击:次
Ultra Symmetry 平衡式前級放大器 前言..... 這幾年Nelson Pass大師設計的電路在音響DIY的圈子裡相當風行，他的電路設計往 往簡單而有創意。 他早期在Threshold所發展的Stasis專利電路，如今已漸漸被淡忘，現在所流行的是 他的Super Symmetry專利電路和Active Current Source專利電路。 Active Current Source專利電路其實類似真空管的SRPP電路，有興趣可以參考 diyAudio Forums - Excellent SRPP power amp of MOSFET的討論。 而Super Symmetry專利電路是一個具有負回授的雙端輸入、雙端輸出的差動放大 電路。請參考Nelson Pass大師的Super Symmetric Amplification這篇文章。 我發覺Nelson Pass大師的Super Symmetry專利電路其實是像下圖這樣的“全平衡 放大器”：  然而，這種全平衡放大器只能保證兩個輸入訊號的電位差和兩個輸出訊號的電位差成 固定比例，並不能保證Vip和Vop成固定比例，或Vin和Von成固定比例。只要兩個輸 入訊號的電位差和兩個輸出訊號的電位差成固定比例，兩個輸出訊號的電位可以是任 意值！也就是說這種電路會有兩個輸出電位一起漂移的問題。 要解決全平衡放大器輸出兩個輸出電位一起漂移的問題，一般採用的方法是像下圖這 樣，在共模增益的迴路中加上誤差放大電路：  就像TI的OPA1632 Fully-Differential Amplifier一樣，請參考TI Application Note [Full-Differential Amplifiers (Rev. D)/sloa054d]。 而我則發展出另外一種不一樣的電路.........  緣起..... 所謂平衡式的訊號指的是兩個完全反相的訊號............ 在訊號傳輸上，兩條並行的導線所感應到的雜訊會是相同的訊號，因此用平衡式訊號 來做訊號傳輸，雖然訊號線會感應到雜訊，只要將平衡式訊號相減便可以將感應到的 雜訊抵消掉。所以平衡式訊號傳輸可以有較佳的訊號雜音比。 對於BTL(Bridge-Tied-load)橋接式放大器而言，利用平衡式訊號來驅動跨接在平衡 式訊號輸出的負載，可以讓負載上的最大輸出電壓倍增，理論上可以讓最大輸出功率 變成一般非平衡式放大器的四倍。 然而，大部分的平衡式放大器並沒有使用全平衡放大電路，通常是在輸入端用減法器 或變壓器將平衡式訊號轉換成非平衡式訊號來進行放大處理，而在輸出端用反相放大 器或變壓器將非平衡式訊號轉換成平衡式訊號做輸出。有些則是用兩個獨立的放大器 將平衡式訊號各自放大輸出，這樣的方式根本毫無“共模互斥比CMRR”可言！對於平 衡式訊號因為音量電位器的聯動誤差或放大器特性差異所造成的訊號不對稱，這種號 稱“全平衡”的放大器完全沒有排除共模訊號、增進訊號平衡對稱的能力。有些平衡式 放大器採用下圖所示的電路接法，這種電路接法的共模增益為 1，雖然沒有將共模訊 號加以放大，但實際上也沒有將共模訊號給消除掉！  二十多年前，我還在讀五專的時候，偶然在雜誌上發現下面這個全平衡放大電路：  當時對這個電路非常感興趣，發覺這個全平衡放大電路其實是由兩個減法器所構成， 而有下面的分析推演：  由上面的分析推演中發現，這個電路可以均衡兩個運算放大器間的差異，讓同相與反 相輸出交互影響，使得平衡式訊號輸出可以達到「你的泥中有我，我的泥中有你」這 種「你儂我儂」的境界。 不過當時我實驗這個電路卻遇到了大問題！電路裝起來雖然兩個輸入訊號的電位差和 兩個輸出訊號的電位差成固定比例，但兩個輸出的絕對直流竟然有時偏到正電源電 壓，有時偏到負電源電壓，甚至會隨訊號的大小所觸發，一下偏到正電源電壓， 一下 偏到負電源電壓。我裝出來的電路竟然成為“正反器”？ 顯然這個電路存在正回授的問 題！ 圖(四)這個兩個減法器構成的全平衡放大電路其實跟下圖是等效的，  圖(五)中的兩個運算放大器如果共用差動輸入級其實就等於圖(一)的電路。對於運算 放大器的共模增益而言，同相與反相輸入都有相同的共模增益，所以這幾個全平衡放 大器的共模增益等效電路全都如下圖所示：  從全平衡放大器的共模增益等效電路可以看出，當共模增益Ac為負值，也就是共模輸 入與共模輸出為反相時，圖(六)的電路為負回授電路。當共模增益Ac為正值，也就是 共模輸入與共模輸出為同相時，圖(六)的電路為正回授電路，如果Ac大於等於(Rf+R)/R的話，電路便會振盪或成為“正反器”。 共模斥拒比“CMRR” 了解了全平衡放大器的共模增益等效電路之後，我開始對全平衡放大器在閉環路時能 有多少共模斥拒比“CMRR”感到懷疑，所以便對減法器和全平衡放大器的共模斥拒比 做了下面圖(七)、圖(八)的分析推演：   由圖(七)對非平衡輸出的減法器所做的分析推演可以看出其閉環路共模斥拒比等於開 環路共模斥拒比。而圖(八)對全平衡放大器所做的分析推演得到的結論卻是閉環路共 模斥拒比嚴重劣化！ 解決之道..... 原本希望全平衡放大器有很高的共模斥拒比，可以增進平衡訊號的對稱性，結果卻發 現全平衡放大器的閉環路共模斥拒比嚴重劣化，甚至共模迴路還會振盪或成為“正反 器”！難道全平衡放大器除了像圖(二)那樣，在共模增益的迴路中加上誤差放大電路之 外，就別無他法了嗎？ 經過許多次的實驗與長久的思考，我想到了用差模增益來抑制共模增益的方法！ 在考慮圖(四)兩個減法器構成的全平衡放大電路的共模增益時，可以把兩個減法器合 併成下面這個共模增益等效電路。  將圖(九)的電路加上兩個電阻成為圖(十)那樣，使運算放大器的反相輸入端的回授量 大於同相輸入端，那麼當運算放大器的差模增益非常大時，不論Vi為何值，Vo都會趨 近於 0，要不然電路便無法平衡！  再將圖(十)的電路巧妙的切開來，便形成如下圖這樣“具有高CMRR的全平衡大器”！  圖(十一)這個“具有高CMRR的全平衡放大器”電路經實驗證實效果非常好，即使是輸 入非平衡訊號，另一輸入端不論接地或浮接，兩個輸出都能得到相當平衡對稱的輸出 訊號。 我將這個電路命名為“Ultra Symmetry”電路。 電路設計.....  這個圖是Ultra Symmetry 平衡式前級放大器的基本架構。 平衡輸入時的電壓增益為十倍，輸入阻抗約100K。 圖(十一)的電路平衡輸入時的輸入阻抗為 Ri/2，那麼圖(十二)的電路中，Ri為 2k，輸 入阻抗不是應該是 1K嗎？為什麼會變成 100K呢？ 這是因為圖(十二)的電路中加上“正回授”來提升輸入阻抗的關係。 圖(十二)的電路在非平衡輸入時的電壓增益會因為反相輸入端接地或浮接而有所不 同。 反相輸入端接地時的非平衡輸入電壓增益為五倍，輸入阻抗約 9.48K。 反相輸入端浮接時的非平衡輸入電壓增益為 9.52倍，輸入阻抗約 17.35K。  這個圖是加上 OP輸出中點微調及頻率補償電容、電源旁路電容後的樣子。 由於各種 OP IC的中點微調的接法不太一樣， 如果中點微調的可變電阻必須接正電源，則必須將 JP3短路。 如果中點微調的可變電阻必須接負電源，則必須將 JP4短路。 如果中點微調的可變電阻是接 OP IC的第 1、第 5腳，則必須將 JP1、JP6短路。 如果中點微調的可變電阻是接 OP IC的第 1、第 8腳，則必須將 JP2、JP5短路。 頻率補償電容雖然會降低放大器的頻寬，但是為了放大電路的穩定，還是加上去比較好！  這個圖是加上交連電容來阻隔直流訊號放大的電路。  這個圖是加上直流伺服電路來阻隔直流訊號放大的電路。  這個圖是綜合前面的電路圖而成，PC板是依照這個圖Layout。 因此這個PC板不論是要裝成圖(十三)的直流放大器、圖(十四)的交流放大器，或是圖 (十五)加上直流伺服電路的放大器都可以。  如果要做為非平衡轉平衡訊號電路時，可以接成這樣，電壓增益降為兩倍。 在Audio Wiki網站上，Arlo兄有一個有趣的想法：“一種動態迴授的機制，讓非平衡/ 平衡輸入時的電壓增益相同...” 我提出了下圖所示的做法來達成讓非平衡/平衡輸入時的電壓增益相同的目的。  當平衡電路接成非平衡輸入時，通常要把沒用到的反相輸入端接地，而由於輸入訊號 由兩個變成一個，所以輸出訊號大小變一半。 上面那個圖是在證明平衡電路接成非平 (责任编辑：admin) |