用場(chǎng)效應(yīng)管做有膽味的功率放大器

摘要：用場(chǎng)效應(yīng)晶體管設(shè)計(jì)出有膽味的音頻功率放大器。前級(jí)采用單管、甲類，后級(jí)采用甲乙類推挽放大技術(shù)。實(shí)驗(yàn)證明差分放大器使用的對(duì)管的一致性與整機(jī)的失真程度密切相關(guān)。從聽音效果來看，末級(jí)電流200mA是理想值。

前后級(jí)間耦合電容對(duì)聽音影響較大，要求質(zhì)量高些。

對(duì)于音頻功率放大器而言，最好聽的莫過于甲類放大器。根據(jù)頻率分析的結(jié)果，由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的前級(jí)聲音單薄、缺乏活力。所以，可不可以前級(jí)采用單管甲類放大器，后級(jí)采用甲乙類功率放大器?這樣既兼顧聽音需要，又兼顧效率的需要。目前，電子管音頻功率放大器仍然占據(jù)著音響器材高端市場(chǎng)。能不能用場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，實(shí)現(xiàn)電子管放大器那樣的醇厚悠長的聲音呢?筆者在晶體管功率放大器打摩的基礎(chǔ)之上，做出以FET為基礎(chǔ)的放大器，取得了有膽味的音樂效果。

1 以場(chǎng)效應(yīng)晶體管為基本元件的放大器優(yōu)勢(shì)明顯

就目前在放大器中使用的3種元件而言，晶體管的輸入阻抗太低(大約1 k左右)，電子管的輸入阻抗很高，但輸出阻抗也高，為此，還要增加一個(gè)輸出變壓器。使體積較大，耗電也大。所以說兩者都不是理想的輸出管?？傮w來看，場(chǎng)效應(yīng)管具有很高的輸入阻抗，也能輸出大電流，很適合應(yīng)用在單端A類放大器中。中頻飽滿，細(xì)膩流暢，彈性十足。用場(chǎng)效應(yīng)管制作的放大器能產(chǎn)生震撼人心的低頻轟炸聲。

1.1 失真低

場(chǎng)效應(yīng)管的失真度低于晶體管，比膽管略大一些。且多為偶次諧波失真，反使聽感更好，高中低頻能量分配適當(dāng)，聲音有密度感，低頻潛得較深，音場(chǎng)較穩(wěn)，透明感適中，層次感、解析力和定位感均有較好表現(xiàn)，具有良好的聲場(chǎng)空間描繪能力，對(duì)音樂細(xì)節(jié)有很好的表現(xiàn)。

場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)的線性較好。線性區(qū)域?qū)拸V，與電子管的傳輸特性十分相似。較好的線性就意味著有較低的失真。

1.2 噪音低

場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲是非常低的，噪聲系數(shù)可以做到1 dB以下。以2SK30為例，在VDS=15 V，VGS=0V，RG=100 kΩ，f=120 Hz測(cè)試條件下，噪聲系數(shù)的典型值是0.5 dB。噪聲系數(shù)的定義是系統(tǒng)輸入信號(hào)的信噪比除以系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比，用分貝表示：

NF=20*log([Si/Ni]/[So/No])

Si=輸入信號(hào)的功率

So=輸出信號(hào)的功率

Ni=輸入噪聲功率

No=輸出噪聲功率

1.3 穩(wěn)定性高

我們知道，甲類功放熱效率低，產(chǎn)生的熱量占整個(gè)消耗的功率百分之七十以上。電路的熱穩(wěn)定性受溫度影響較為明顯。如果電路的熱穩(wěn)定性差，會(huì)導(dǎo)致聽音效果不正常。這使得大多數(shù)音響發(fā)燒友望甲卻步。影響電路穩(wěn)定性的主要環(huán)節(jié)是放大電路的電流放大部分，也叫輸出級(jí)。雙極型晶體管集電極電流具有正的溫度系數(shù)，即他的集電極電流會(huì)隨著溫度的升高而升高。場(chǎng)效應(yīng)管恰恰相反，具有負(fù)的溫度系數(shù)，即

他的漏極電流隨其結(jié)溫的升高而下降。推動(dòng)級(jí)及輸出級(jí)用雙極型晶體管就要用到溫度補(bǔ)償電路，才能保證輸出晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)不隨環(huán)境溫度的變化而變化。而用場(chǎng)效應(yīng)晶體管就可以省去溫度補(bǔ)償電路，從而大大地提高放大器的穩(wěn)定性。

2 以場(chǎng)效應(yīng)晶體管為基本元件的放大器的電路結(jié)構(gòu)

2.1 前級(jí)的構(gòu)成

場(chǎng)效應(yīng)管單管甲類前級(jí)放大器見圖1。Tn源極電位實(shí)測(cè)為0.5 V，漏極電位為5.0 V，漏極電流IDSS等于1.25 mA。根據(jù)2SK30AMT出廠說明書載明的相關(guān)內(nèi)容，該工作點(diǎn)的線性最好。

該級(jí)放大器放大倍數(shù)依據(jù)公式Au=-gmRf3計(jì)算，式中g(shù)m——場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)。

2SK30AMT在VDs=10 V，VGS=0 V時(shí)的最小跨導(dǎo)gm=1.2ms。那么該級(jí)放大器放大倍數(shù)為6.72。

音量調(diào)節(jié)通過進(jìn)階開關(guān)加11個(gè)固定電阻進(jìn)行，每個(gè)電阻10k。這樣做的好處是既經(jīng)濟(jì)，質(zhì)量又好。音量調(diào)節(jié)實(shí)為10級(jí)，聽音效果十分理想。

第二級(jí)放大電路作源極輸出器，旨在匹配電路，提高前級(jí)的負(fù)載能力，放大倍數(shù)近似為1。靜態(tài)工作點(diǎn)仍然十分重要，Tf2源極電位實(shí)測(cè)為5.5 V，位于電源電壓的中值附近，很好。在該級(jí)上，同樣可算出漏極電流2.75 mA，也要滿足甲類放大器對(duì)靜態(tài)的要求。

隔直電容C17，C18對(duì)音質(zhì)的好壞影響較大，選用進(jìn)口名牌WIMA電容。

2.2 后級(jí)放大電路仍采用推挽式、甲乙類放大器

對(duì)稱放大電路所用元件要檢測(cè)其靜態(tài)特性。功率放大電路如圖2所示。

以Tm1和Tm3為例，其檢測(cè)參數(shù)主要是IDDS，即當(dāng)VGS=0時(shí)的漏極電流。在VGS=0時(shí)，測(cè)出IDDS，其值相近為宜。同樣地，Tm2和Tm4也要與Tm1或Tm3靜態(tài)值相差無幾，或相近。只有這4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管靜態(tài)值大致相同，才有可能做出優(yōu)質(zhì)的放大器來。成批生產(chǎn)的放大器價(jià)格很高，正是這些電路中使用的元件匹配困難，造成制造成本高，制約了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

這4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管匹配至關(guān)重要，只有它們的靜態(tài)特性一致，才能保證后面大功率放大元件工作的準(zhǔn)確和安全。推動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)對(duì)應(yīng)對(duì)管的互補(bǔ)性要求與差動(dòng)放大器完全相同，這里不再贅述，請(qǐng)讀者參考前文所述內(nèi)容。

2.3 整機(jī)的調(diào)試

末級(jí)(Tm9和Tm10)電流的靜態(tài)值的設(shè)置對(duì)聽音效果影響較大，大一些，聲音溫暖，柔和一些，但效率降低。過大，鬧不好會(huì)損壞功率器件。調(diào)節(jié)Rm22能改變Tm7和Tm8的柵極電位，進(jìn)而影響到Tm9和Tm10的柵極電位及末級(jí)電流。最初通電調(diào)試時(shí)，最好先從電路上取下Tm9和Tm10兩只大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。調(diào)節(jié)Rm22時(shí)，眼睛緊緊盯住中點(diǎn)電位(VB)，如果VB大于0 V，則增加Rm22，反之，則減小Rm22。調(diào)好中點(diǎn)電位后，再安裝上Tm9和Tm10兩只大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，以確保大功率元件的安全。

Rm3和Rm4兩端的電壓降以2 V為好。太高會(huì)造成后級(jí)(Tm9和Tm10)靜態(tài)電流過大;太低會(huì)使聲音失真明最。調(diào)節(jié)Rr4能調(diào)節(jié)這個(gè)電壓。

為了提高放音的靈性，反饋量不宜過大，由Rm7和Rm8決定。這里選擇反饋系數(shù)為0.1，從聽音效果看十分理想。

3 放大器的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 前后級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)

本著簡(jiǎn)潔至上的理念，盡量減少多余環(huán)節(jié)和減小負(fù)反饋量。由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電路，聲音缺少活力，音場(chǎng)處于一個(gè)平面。因此本電路未采用任何集成電路。

對(duì)于對(duì)稱放大器而言，對(duì)管的選配決定放大電路質(zhì)量的高低。從某種程度上講，做放大器就是選對(duì)管。

對(duì)于前級(jí)放大電路，兩個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(Tf1和Tf2)的VGS設(shè)計(jì)為-0.5 V是比較理想的選擇，這是根據(jù)他們的輸出特性所作的選擇。

V7、V8(見圖2)電位的高低，影響放音效果的好壞，電位差大些，聲音會(huì)厚些，韻味足些。反之，聲音差些。通過調(diào)節(jié)電位器Rr3來調(diào)節(jié)V7、V8的電位，Rr3阻值減小時(shí)，V7、V8電位差亦減小。圖2中V7、V8電壓值是比較理想的，此時(shí)末級(jí)電流200 mA左右。如太小，聲音太冷，蒼白無力;太大，費(fèi)電，且對(duì)音質(zhì)的提高幫助不大。

3.2 電源質(zhì)量對(duì)放大器至關(guān)重要

±24 V穩(wěn)壓電路如圖3所示。該電源具有軟啟動(dòng)功能，具有正負(fù)電源分別短路或同時(shí)短路的保護(hù)功能。當(dāng)正、負(fù)電源的任何一端對(duì)地短路時(shí)，將會(huì)使負(fù)、正電源電壓為零，從而保護(hù)了功放電路的輸出管。揚(yáng)聲器中就不會(huì)有大的直流電流通過，從而有效地保護(hù)了揚(yáng)聲器。

該電源的軟啟動(dòng)電路能消除開機(jī)時(shí)沖擊揚(yáng)聲器的大電流，避免接通電源瞬間“噗噗”聲。軟啟動(dòng)電路由Rs9，Cs9，R10，Ds9，Rs11，Rs 12和晶閘管SCR組成。開機(jī)延遲時(shí)間由Rs9，Cs9時(shí)間常數(shù)決定，本例中此常數(shù)為0.47 s，開機(jī)時(shí)音箱中一點(diǎn)兒“噗”聲也沒有。

3.3 其他

大電流線路布線寬度100 mil，加錫。地線也是100 mil，加錫。

電容除電源濾波用電容外，全部采用德國高品質(zhì)WIMA電容。

4 放大器降噪措施

在擺放元件布線時(shí)，嚴(yán)禁前后級(jí)交叉。

電位器質(zhì)量低會(huì)引起較明顯的噪音。

前、后級(jí)電源一定要分開，否則來自后級(jí)的大動(dòng)態(tài)信號(hào)會(huì)通過電源送到前級(jí)，造成明顯的干擾現(xiàn)象。

5 結(jié)論

放大器做得好才能實(shí)現(xiàn)細(xì)小的聲音重現(xiàn)，高頻延伸透明，低音渾重，中音舒展洪亮。通過實(shí)驗(yàn)比對(duì)，用場(chǎng)效應(yīng)管制作的放大器噪聲系數(shù)低，聲音圓潤，且體積小，具有獨(dú)特的魅力。