[組圖]32W混合式音頻功率放大器
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不可否認(rèn)，半導(dǎo)體工藝在過(guò)去一段時(shí)期內(nèi)已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍有許多音響發(fā)燒友堅(jiān)持認(rèn)為電子管聲音性能更佳。
盡管電子管需要單獨(dú)的燈絲加熱電源，還需要高壓供電，但與固態(tài)器件相比，電子管仍有許多長(zhǎng)處是其半導(dǎo)體對(duì)手所不具備的。因此，發(fā)燒友至今仍對(duì)膽機(jī)情有獨(dú)鐘是完全可理解的，為什么要用電子管呢?
首先，電子管容易激勵(lì)。在低頻段，電子管柵一陰間的阻抗高達(dá)100Mfl，而且不象VMOS那樣有大并聯(lián)電容。同時(shí)，電子管的一致性好，同一批產(chǎn)品，電子管樣品間的匹配比晶體管好得多。因此，用電子管來(lái)制作AB類放大輸出級(jí)，可能比用等效的固態(tài)器件遠(yuǎn)為線性。由此可以斷言，電子管在近期內(nèi)決不會(huì)消失，尤其在音響領(lǐng)域。
出于一種探索心理，我們用一對(duì)以前曾得到廣泛使用的電子管EL34，并由固態(tài)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。
我們認(rèn)為用EL34作為輸出電子管是一種最佳選擇，其理由是：首先，EL34有高達(dá)25W的板極耗散。同時(shí)，可以安插在較為便宜的標(biāo)準(zhǔn)八腳鎖緊管座上。至于所以采用固態(tài)驅(qū)動(dòng)器，則在閱讀本文的過(guò)程中會(huì)逐漸了解的?，F(xiàn)在讓我們首先研究有關(guān)輸出級(jí)的基本情況。
電子管輸出級(jí)的最簡(jiǎn)形式為單端A類三級(jí)管放大器，如圖1a)所示。因?yàn)殡娮庸芫哂杏邢薜娜菪噪娏骷跋喈?dāng)大的內(nèi)阻，因此，板極驅(qū)動(dòng)電壓通過(guò)一個(gè)阻抗匹配變壓器直接加到揚(yáng)聲器上。這類系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，但其理論上的最大效率僅為50％。通常因?yàn)榘鍢O特性的限制，其實(shí)際效率大都在25％左右。這樣看來(lái)，單端三極管輸出級(jí)似乎已成為昨日黃花。但是，音響發(fā)燒友又將它起死回生。如果你經(jīng)濟(jì)寬裕而又有興趣的話，可以化大價(jià)錢(qián)購(gòu)置一個(gè)特制的三極電子管放大器，在英國(guó)需要30，000英磅。
電子管輸出級(jí)
一般的電子管輸出級(jí)示于圖1b，為簡(jiǎn)化計(jì)，電子管均表示為三極管。輸出從電子管的板極饋至輸出變壓器的初級(jí)。初級(jí)繞組的中心抽頭接至正電源。
當(dāng)同相和反相輸入信號(hào)加至電子管的柵極時(shí)，即獲得推挽作用。對(duì)于固態(tài)器件，這種工作類型取決于偏置電流。
推挽級(jí)通常具有抵銷偶次諧波和增大輸出功率的優(yōu)點(diǎn)。此外，尚可消除板極上的噪聲電壓，抑制大功率電源的紋波。
在這類電路中使用EL34，加上適當(dāng)?shù)母唠妷?，可以獲得20～50W的功率輸出。但是，電子管輸出級(jí)的主要設(shè)計(jì)任務(wù)在于輸出變壓器，特別是保證良好的頻響，更有賴于輸出變壓器的精心設(shè)計(jì)。
實(shí)際的變壓器與理論模型的區(qū)。別，在于前者需要考慮使初級(jí)電感足夠大，以獲得良好的低頻響應(yīng)。類似地，在頻段高端，漏感和繞組電容限制了高頻響應(yīng)。
一個(gè)實(shí)際變壓器的電路模型示于圖2，其中，圖2a為低頻等效電路，圖2中各元件為：r1是初級(jí)電阻，L1為初級(jí)漏感，r2為次級(jí)電阻，L2為等效次級(jí)漏感，R0為等效鐵耗電阻，L0為初級(jí)電感，C1和C2為初級(jí)和次級(jí)的等效集中電容，Cw為匝間電容，RL為次級(jí)負(fù)載。這里初級(jí)電感和電子管的板極阻抗構(gòu)成一高通濾波器。顯然，初級(jí)電感越大，低頻響應(yīng)越好。圖2a中的Rp板極電阻，Rw為繞組電阻，L0初級(jí)電感，RL為次級(jí)負(fù)載乘以圈數(shù)比的平方。
圖2b所示為變壓器的高頻等效電路。在高頻段，初級(jí)電感足夠大，對(duì)頻響無(wú)影響，但是，漏感Lk繞線電容C共同構(gòu)成一個(gè)二階低通濾波器。
漏感和繞組電容均取決于變壓器的結(jié)構(gòu)方式。為了減少這兩個(gè)因素對(duì)頻響的影響，變壓器的繞組通常采用分段繞法+從等效電路可以明顯看出，為了得到良好的高頻響應(yīng)，漏感必須力求最小。
當(dāng)板極電阻給定，而在計(jì)算所需初級(jí)電感量時(shí)，可以看到，板極電阻越低，所需初級(jí)電感量也急劇降低。事實(shí)上，如果輸出阻抗可以做到零，則所需的初級(jí)電感也可以為零。類似地，可以證明，變壓器引入的失真，在很大程度上也取決于板極電阻，如能實(shí)現(xiàn)零阻抗驅(qū)動(dòng)，則失真也降為零。
所以在一個(gè)裝置中優(yōu)先采用三極管輸出級(jí)，是因?yàn)槿龢O電子管比五極管的板極阻抗低。因此，對(duì)于給定的低頻響應(yīng)，三極管的輸出變壓器所必須的初級(jí)電感也可以較低。大多數(shù)實(shí)際設(shè)計(jì)都采用深度負(fù)反饋來(lái)降低有效的板極電阻。
通常，反饋取自變壓器的輸出繞組，即在反饋環(huán)內(nèi)包括有次級(jí)繞組。但是，由于輸出變壓器具有電抗元件，以這種方式可以引入的反饋量通常都有嚴(yán)格限制，以免引起寄生振蕩。
解決這個(gè)問(wèn)題的最佳路徑是采用陰極輸出級(jí)，如圖3所示。此電路與固態(tài)電路中大家所熟悉的射極輸出器具有類似功能。其電壓增益總是小于1，但其輸出阻抗比通常陰極接地的三極管放大器要小得多。而失真通常也小一個(gè)數(shù)量級(jí)。
由于上述限制，使陰極輸出器更多的用于實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)合，因?yàn)轵?qū)動(dòng)此類電路幾乎需要在高壓所允許的范圍內(nèi)給出雙倍的信號(hào)振幅，但是，在開(kāi)發(fā)下面介紹的實(shí)用電路之前，曾試驗(yàn)過(guò)推挽陰極輸出器，由一個(gè)級(jí)間變壓器(inte—stagtransformer)來(lái)驅(qū)動(dòng)。不過(guò)，另外有一種辦法可以產(chǎn)生陰極輸出器同樣的效果，它具有一般電子管輸出級(jí)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)而很少副作用。此電路是跨導(dǎo)(transcon—ductance)放大器和跨阻(transresistance)放大器的合并，如圖4所示。
很難理解，為什么這種別致的電路未曾得到廣泛使用。因?yàn)榇祟愲娐酚蒙倭吭纯傻玫胶芎玫男阅?。圖4a所示為工作方式有如普通虛擬接地放大器的跨阻放大器。
如果開(kāi)環(huán)增益很高，則閉環(huán)性能由R1與R2之比來(lái)確定。如果R1由一恒流源來(lái)替代，則得圖4b，此放大器在其反相端可“看到”100％的負(fù)反饋，其電壓增益為零。
用一跨導(dǎo)放大器來(lái)代替恒流源，則放大器的輸出為IKl，由跨阻級(jí)產(chǎn)生的失真很小，因?yàn)榉答佅禂?shù)p(信號(hào)反饋比)幾乎為1。因?yàn)榭鐚?dǎo)放大器也可以做成單位增益，從而可得到個(gè)性能優(yōu)良的電路。
在目前的電路中，跨阻放大器由一電子管來(lái)構(gòu)成。而TL072運(yùn)放反饋環(huán)中的晶體管則是跨導(dǎo)放大器的基礎(chǔ)。在整個(gè)音頻頻段，此電路給出的輸出阻抗大于10MI。所需的電壓增益可以通過(guò)改變跨導(dǎo)比R2來(lái)獲得，而跨導(dǎo)放大器和跨阻放大器的電壓增益均為1。從驅(qū)動(dòng)電路來(lái)的、平衡良好的推挽輸出還需要驅(qū)動(dòng)推挽輸出級(jí)。為此，可以將運(yùn)放的反相輸入端經(jīng)一電阻和隔直流電容而方便地獲得對(duì)推挽輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)。
圖4總括說(shuō)明了整個(gè)設(shè)計(jì)思路，圖4a為普通工作的虛擬電路的跨阻抗放大器，圖4b為用恒定電流源替代電阻R2的電路，其反相輸入端上有100％的負(fù)反饋，電壓增益為零。圖4c為以跨導(dǎo)放大器來(lái)替代恒流源的電路，由于反饋系數(shù)p近似為1而使失真很小。圖4d將圖4C轉(zhuǎn)換為有電子管的混合電路。
有了圖4電路的基礎(chǔ)，現(xiàn)在可以討論圖5所示的混合式放大器的完整電路。輸入信號(hào)通過(guò)R1饋至A1的同相輸入端，從而設(shè)定了輸入阻抗。運(yùn)放A1與晶體管Trl共同構(gòu)成一個(gè)如前所述的跨導(dǎo)放大器。反饋取自發(fā)射極電阻R3，經(jīng)R2至A1的反相輸入端。電阻R12和R13接至電源一Ve，并為T(mén)rl和Tr2提供偏置，以設(shè)定此級(jí)的靜態(tài)電流。
從Trl集電極來(lái)的輸出電流饋入R7，而電阻R7構(gòu)成了電子管V1柵極－板極之間的分路。電容C1使電子管的柵極與
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