「簡潔至上」的電晶體甲類音頻功率放大器

2020-11-30 電子產品世界

Hi－Fi界有一句至理名言，就是「簡潔至上」。這就是說，假如能用一個元件或器件做成的電路，就儘量不用兩個。電子電路中常用的電子元件有電阻、電容、電感等，常用的電子器件有二極體、三極體及集成電路等。電阻、電容都屬於線性元件，在放大電路中可以認為不會因它們而產生非線性失真。但是，目前用於放大的電子器件，不論是電子管、電晶體，還是集成電路，統統都是非線性器件，它們是放大電路中產生非線性失真的根源。因此，在放大電路中應儘量少用管子。要做到這一點也並非容易，所以通常所見到的放大電路都比較複雜。要想「簡潔」，必須解決兩個問題：一是放大倍數要足夠大，至少應該在接CD機時能夠達到額定的輸出功率；二是非線性失真要儘量小些，在不加負反饋或只加少量的負反饋時，諧波失真係數能夠達到Hi－Fi要求。
　　功率放大器的輸出電路方式，可按有無輸出變壓器分為兩類。無輸出變壓器的功放電路為了使揚聲器中無直流電流通過，必須採用電容耦合(OTL電路)或者正負兩套電源(OCL電路)。本文介紹的電晶體甲類音頻放大器選用變壓器輸出的單管放大方式，每聲道只用兩隻管子，而若採用互補推挽電路，則至少要用四五隻管子。由於所用的輸出變壓器初級阻抗只有幾十歐姆，所以繞制起來很容易，性能也很容易達到要求。採用變壓器輸出的一個突出優點就是可以避免燒揚聲器。另外，變壓器次級線圈極小的直流電阻，會改善揚聲器的阻尼，使瞬態失真減小。

電路結構與特點

　　該電晶體甲類音頻功率放大器電路及電源電路如圖1所示。這一功放電路具有高達15W的有效值輸出功率，它只用兩隻電晶體，並把它們直接相連，複合成一隻高跨導的功率場效應電晶體。這是筆者受到絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)的啟發偶爾想到的。IGBT是一種新型半導體功率器件，已成功地應用於高頻開關電源中，近幾年在高保真聲頻功率放大器中也常見到它的蹤影。它兼有雙極型電晶體(即普通PNP、NPN電晶體)和單極型電晶體(即場效應管)兩者的優點，但沒有兩者各自的缺點，所以應用前景非常廣闊。普通電晶體的飽和壓降小，但開關速度慢，而且是正溫度係數。場效應管不需要輸入電流，開關速度快，具有負的溫度係數，但是導通電阻較大。IGBT的等效電路如圖2所示，圖中(a)示出了由P溝道場效應管和NPN型電晶體複合而成的IGBT等效電路，(b)示出了由N溝道場效應管和PNP型電晶體複合而成的IGBT等效電路。由於目前的IGBT主要設計目的是用於開關電路而不是線性放大電路，所以其輸出特性曲線的線性不太好。筆者採用了一隻性能優良的日立名管2SJ77與一隻國產大功率電晶體3DD9按IGBT結構複合成輸出管。2SJ77(互補管為2SK214)是專門設計用於線性放大的中功率MOSFET，在高保真功率放大器中常用作推動管，口碑頗好。其跨導高達40mA/V(或40mS)，輸入電容CIS為90pF，還不到大功率場效應管2SJ49(2SK134)輸入電容的六分之一。

　　這種複合方式有以下顯著優點：(1)具有極高的跨導，可產生足夠的電壓增益。2SJ77的跨導為40mA/V。因為VT1的漏極直接接到了VT2的基極，所以VT2的發射極電流就是VT1漏極電流的(β＋1)倍。如果VT2的電流放大係數β為50，則這隻複合管的跨導就是2000mS。這就是說，場效應管VT1的跨導被VT2放大了大約β倍。在圖1所示電路中3DD9的β選為40。當R3短路、R4開路時的開環電壓放大倍數為60。負載為8Ω時最大輸出功率為15W，可計算出所需輸入電壓的有效值約為0.18V。當R3=51Ω，R4開路時的電壓放大倍數約為30，這就是說，R3產生了－6dB的負反饋。當R3=51Ω，R4=2kΩ時的總電壓放大倍數為15，總負反饋量為－12dB。其中R3產生的反饋為電流串聯負反饋，R4產生的反饋為電壓串聯負反饋，各為－6dB。(2)VT1對於VT2來說為電流驅動，VT2的基極電流就是VT1的漏極電流，因此可避免雙極型電晶體VT2產生奇次諧波失真。場效應管的柵源電壓UGS與其漏極電流ID為平方關係，雖然不是線性關係，但理論上只會產生二次諧波失真。而雙極型電晶體的基射電壓UBE與其集電極電流IC為指數關係，如果採用電壓源激勵，就會同時產生奇次和偶次諧波失真。但是如果採用電流驅動，則集電極電流IC與基射電壓UBE無關，就可避免奇次諧波失真的產生。該功率放大器的音色醇厚而溫暖，頗有膽機的味道，其原因可能就在於此。(3)複合管的輸出管VT2的集電極直接接地，因此與散熱器之間不必加絕緣墊，有利於減小熱阻，這對於產生熱量較大的甲類功放更顯得必要。實際安裝時，應將2SJ77靠近3DD9，目的是產生熱耦合，利用MOS型場效應管的負溫度係數改善整個放大電路的溫度特性。如果不加負反饋，則2SJ77也可以不加絕緣墊，因為它的源極(即中間的管腳)正好為外殼。(4)這種複合管比目前IGBT管線性好，並且價格低。
　　該功放大器電路的偏置電路利用發光二極體作為偏壓穩定，在電源電壓發生波動時，可保持靜態電流基本不變。
　　電源電路採用扼流圈輸入式倒L型濾波電路，輸出直流電壓約為電源變器次級電壓有效值的0.9倍。濾波電感器要求電感量大於1H，電流大於1.5A。如果感到扼流圈不便於自製與安裝，也可以採用圖3所示的穩壓電源供電。因為單端放大電路對電源紋波沒有抑制作用，所以如果不用扼流圈或穩壓電源而僅靠電容濾波，則即使電容用到20000μF時，也仍有幾十毫伏的交流聲。

　　圖1所示電路中的VT1與VT2，如改用MJ29585與2SK214，則輸出功率為10W。需注意的是複合後管子屬於N溝道的IGBT，故電源與電路中有極性的元器件與組件的極性都要反過來。

安裝、調試與技術指標

　　1.元器件的選擇　輸出管VT2選用國產的3DD9(F－3型金屬封裝)，也可使用2SC2922等大功率管，但要求左右聲道兩隻管儘量做到特性一致。最好用電晶體特性圖示儀測試，挑選線性較好(即曲線間隔均勻)的管子，但應該注意測試條件要儘量接近實際工作狀態。正宗的進口管線性較好，一致性也較佳。而國產管的離散性較大，需要耐心挑選。還要特別注意該電晶體基極開路時的集射極間最高反向擊穿電壓，這一電壓應大於電源電壓的三倍以上(即不低於160V)，並要留有一定的裕量。否則當揚聲器開路時，輸出變壓器產生的感應電壓容易將管子擊穿。
　　當VT2的電流放大係數為40，集電極靜態電流為0.7A時，基極電流約為17.5mA，它等於VT1的漏極電流。為了使VT1的靜態工作電流不致於太小而進入非線性區，VT2的電流放大係數就不能太大。例如，若選VT2的電流放大係數為100，則VT1的漏極電流僅為7mA就可以使VT2的集電極電流達到0.7A。常見進口大功率管(如三肯的2SC2922，東芝的2SC3281等)的β值一般都在90以上，故VT2選用國產的3DD9。國產的3DF10C採用F－4型金屬封裝，也很不錯。
　　推動管VT1選用2SJ77，也需要在接近實際工作狀態的條件下進行挑選配對。2SJ77的挑選配對工作可採用圖4所示的電路來進行。，圖中6V電源可採用4節1號乾電池。調節1kΩ電位器使100Ω電阻上的電壓為1.75V，此時漏極電流即為17.5mA。再用數字萬用表測量並記錄此時柵極對源極的直流電壓UGS，挑選兩隻UGS相近的管子即可。如果要測量2SK214，則別忘了把電源極性反過來。MOS型場效應管比較嬌氣，所以用電晶體特性圖示儀測試時，要特別謹慎，以免接地不良將管子擊穿損壞。

　　電源變壓器的功率容量應不小於150VA，次級額定電流不應低於2A。
　　輸出變壓器的製作工藝比膽機要求簡單得多。要求初級阻抗為72Ω，如果次級負載阻抗為8Ω，則初次級的匝數比為3∶1。該功率放大器所用輸出變壓器是在定州飛達電子廠定做的，也可以參照有關資料自己製作。
　　穩壓電源中的調整管採用了國產鍺電晶體3AD30C，要求其電流放大係數不低於70。穩壓電路雖然為集電極輸出電路，但由於鍺管的穿透電流比較大，故可不必另外設置啟動電路。調整管的集電極也可以直接接地。穩壓二極體採用μ574，是彩電中專門用於穩定高頻頭調諧電壓的集成電路，效果很好。同時還要調整取樣電阻，使輸出電壓為＋38V，電源變壓器的次

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  • 常用音頻放大器的幾種類型
    常用音頻放大器的幾種類型音頻功率放大器種類繁多，常用的有A類、B類、AB類、C類、D類、E類、F類、G類、H類、S類等十餘種，但適合於音頻應用的只有A類、B類、AB類和D類等四種。A類放大器B類放大器B類功放由兩隻互補的電晶體組成，在完整的信號周期裡，每隻放大管都會在半個周期內導通而在另半個周期內截止，即導通角只有180℃。由於它沒有靜態電流，因此效率較高，理論上，B類功放的最大效率可達78%。然而，當輸入信號接近零時，放大管存在臨界導通狀態，產生交越失真。
  • 功率放大器的性能指標,功率放大器的應用
    （二）、頻率響應　　頻率響應反映功率放大器對音頻信號各頻率分量的放大能力，功率放大器的頻響範圍應不底於人耳的聽覺頻率範圍，因而在理想情況下，主聲道音頻功率放大器的工作頻率範圍為20-20kHz。國際規定一般音頻功放的頻率範圍是40-16 kHz±1.5dB。
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    根據應用的不同，功率大小差異很大，從耳機的毫瓦級到TV或PC音頻的數瓦，再到「迷你」家庭立體聲和汽車音響的幾十瓦，直到功率更大的家用和商用音響系統的數百瓦以上，大到能滿足整個電影院或禮堂的聲音要求。 　　音頻放大器的發展先後經歷了電子管（真空管）、雙極型電晶體、場效應管三個時代。