基于場效應(yīng)管的功率放大器設(shè)計(jì)

摘要：用場效應(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。能不能用場效應(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 以場效應(yīng)晶體管為基本元件的放大器優(yōu)勢明顯

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。總體來看，場效應(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)，具有良好的聲場空間描繪能力，對(duì)音樂細(xì)節(jié)有很好的表現(xiàn)。

場效應(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。