甲類放大器自制 - 全文

　　集電極截止區(qū)域內(nèi)的晶體管的非線性特點(diǎn)，器件的關(guān)態(tài)時(shí)間。晶體管放大器的設(shè)計(jì)者希望通過用大量的負(fù)反饋來校正非線性特征，但是只有在低頻率下這個(gè)方法才行之有效。在高頻率情況下，反饋回路無法實(shí)現(xiàn)深度“負(fù)反饋”，而發(fā)生在輸出的失真卻因?yàn)榍岸穗娐愤^載而加重！

　　一般總諧波失真和互調(diào)失真的數(shù)值并不會(huì)精確地顯示出輸出級失真，因?yàn)闇y量中包含平均因素。交越失真可能達(dá)到2%，但是如果它只比波形高了5%，那么平均下來可能失真指數(shù)只是0.1%?？紤]到這些錯(cuò)誤因素，我們也就能夠輕松理解，為什么兩個(gè)規(guī)格完全相同的放大器產(chǎn)生的聲音效果卻截然不同。所以，為了準(zhǔn)確地測量失真，一定要考慮到峰值失真和諧波失真。一般甲類放大器會(huì)顯示出低次諧波，峰值失真也不足一般失真的兩倍。而一般甲乙類放大器，會(huì)有高次諧波，而且峰值失真會(huì)達(dá)到一般失真的三倍多。

????? 大多數(shù)音頻放大器會(huì)選擇甲類電路，但是兩個(gè)部分除外——驅(qū)動(dòng)和輸出級，在驅(qū)動(dòng)和輸出級，人們一般會(huì)選擇乙類電路或甲乙類電路，以其取得更高的效率。在乙類或甲乙類模式下，輸出級會(huì)以推挽方式運(yùn)行，一路輸出設(shè)備傳送正極電壓和電流，另一路輸出負(fù)極電壓和電流，當(dāng)一路輸出設(shè)備工作，則另一路停止。這一方案運(yùn)行起來效率很高，卻有兩個(gè)很大的弊端：

　　乙類類放大器和甲乙類放大器輸出級的另外一個(gè)問題，要?dú)w咎于晶體管的開態(tài)時(shí)間和關(guān)態(tài)時(shí)間不相同。

　　關(guān)態(tài)時(shí)間過長，上下兩管都不受控，導(dǎo)致交越失真。

　　這是設(shè)計(jì)互補(bǔ)電路時(shí)典型的問題。

　　然而，甲類放大器的輸出級就沒有非線性問題，也沒有開/ 關(guān)延遲問題。平穩(wěn)的傳送性能帶來的是低次諧波失真，而且只要降低電源的功率，這些諧波就會(huì)減弱到幾乎測量不出的程度。

　　電路圖

　　在我們這個(gè)項(xiàng)目中，我們設(shè)計(jì)制作了一個(gè)帶8Ω 負(fù)載20W 的甲類放大器。它在較廣的頻帶寬范圍內(nèi)都表現(xiàn)良好，設(shè)計(jì)簡單而且穩(wěn)定，只需質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的元器件和最少的測試設(shè)備即可制作完成。所用的元器件都很尋常，另外此設(shè)計(jì)能夠適用于多種元件的選擇，所以無需為某一特性而專門選擇半導(dǎo)體。立體聲版本的放大器的制作成本大約為200 美元。

　　基本電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，一對輸入差動(dòng)晶體管驅(qū)動(dòng)一個(gè)電流源晶體管，形成放大器的兩個(gè)電壓增益級。

圖1 基礎(chǔ)電路圖

　　第二個(gè)電壓增益晶體管的輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)三倍射極跟隨器輸出級，從而產(chǎn)生不到100 萬的電流增益。電路中的四個(gè)電流源用來同時(shí)增加頻帶寬和線性，之所以能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，是因?yàn)槭拱雽?dǎo)體空載的電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)放大器所需的電流。除了輸出級之外，增益晶體管在運(yùn)行時(shí)，工作點(diǎn)的變動(dòng)很小。

　　圖1 中所示的補(bǔ)償電容器，用來為電路提供阻尼，消除輸出的過沖和振鈴振蕩。它的作用于一般晶體管放大器上常用的滯后補(bǔ)償恰好相反，因?yàn)樗鼘?shí)際上是通過建立一個(gè)與伺服系統(tǒng)的阻尼電路——在此放大器前端可以滿足自身的回路在高頻率的需求，避免前端過載——相似的內(nèi)部高頻率反饋回路的方法來減少瞬變交互調(diào)劑。

　　實(shí)際放大器的概圖如圖2 所示。晶體管 Q3、6、7、13、14、15、16 構(gòu)成了圖1 中的電流源，他們的電流值由Q8 的活動(dòng)電壓源決定，Q8 通過獲取R22 的回饋而穩(wěn)定電路。只要將電流源系統(tǒng)調(diào)節(jié)好，它就會(huì)精確地追蹤電流值。圖3 和圖4 分別展示了一對一電路板模型和擴(kuò)大版的部件位置指南。除了Q5 和Q7 會(huì)用到散熱器外，其他各部件的位置是自明性的。值得注意的是，在進(jìn)行焊接操作時(shí)千萬不要使半導(dǎo)體和其他元件加熱過度，同時(shí)也不要用高功率的烙鐵。如果使用其他型號晶體管，你可能需要用8Ω 的假負(fù)載對C7 和C4 的數(shù)值（容量）進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)用100kHz 的方波來驅(qū)動(dòng)放大器。

圖2

　　如果放大器有高頻自激，那么增加C4 的容量，或者降低C7 的容量。

圖3 一對一電路板模型

圖4 PC板的部件位置圖

　　在我們制作的這個(gè)放大器中，一定要給輸出級安裝足夠的散熱片，“鋪張浪費(fèi)”在這里沒有害處，而且創(chuàng)造好的通風(fēng)條件也同樣重要。在沒有電扇的情況下，每個(gè)輸出晶體管要安裝100 平方英寸以上的黑色鍍鋁散熱片才行。有一個(gè)“拇指安全法則”，可以用來評估散熱片的質(zhì)量——將不傷到自己的情況下，看看能不能把手指放到散熱片上。將散熱片放到放大器的底板上，在散熱片和輸出晶體管之間，用一些導(dǎo)熱硅脂貼上導(dǎo)熱絕緣片。

　　圖5展示了雙路系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)，它能適應(yīng)不同的電壓，以便達(dá)到輸出功率和負(fù)載阻抗的最優(yōu)化。變壓器的105V 初級分接頭可以被用作8Ω 負(fù)載，115V 分接頭用作6Ω 負(fù)載，125V 分接頭用作4Ω 負(fù)載。再加上一根120V 的交流電線，電源最大產(chǎn)出可以達(dá)到每路20W/8Ω，24W/6Ω 以及28W/4Ω。為了在既定的負(fù)載下讓放大器達(dá)到最優(yōu)化，放大器需要重新設(shè)置偏壓。如果電源中的二極管電橋沒有被安裝在金屬底板上，它們也需要加裝散熱片。電源和放大器輸出接口使用較粗直徑的接線，其他的接口用一般接線就足夠了。有一點(diǎn)十分重要，所有的接地線必須在接地母線的一點(diǎn)上分配給兩條線路，接地母線必須是大尺寸的，并要與所有四個(gè)電容器相連。補(bǔ)充的電路信息請見圖6，如果按照圖6所指示的去安裝接地線和電源，噪聲會(huì)比較小。所有的輸入接口和接地線都是與底板相隔離的。用0.1μF 的電容器將每條輸入地線與底板在輸入處連接起來，用以排除射頻傳感器。

圖5 電源示意圖

圖6 總線圖示意圖

　　組裝

　　用直流電壓表或示波器給放大器設(shè)定偏壓是非常簡單的。在開啟放大器之前，首先要將R16 的電阻調(diào)至最大（即偏壓電流最小）。如果偏壓設(shè)置得太高，負(fù)極電源的保險(xiǎn)絲會(huì)被熔斷，以防止電路被燒壞。如果在電位計(jì)的指針被調(diào)到某一頭的情況下熔斷的保險(xiǎn)絲，那么請更換保險(xiǎn)絲，將指針調(diào)到另一頭，再試一次。在開啟了放大器而且保險(xiǎn)絲沒被熔斷的情況下，調(diào)節(jié)R16以設(shè)定偏壓，最好用示波器。用示波器的話，調(diào)整偏壓是通過用正弦波將放大器驅(qū)動(dòng)到恰當(dāng)?shù)呢?fù)載阻抗值的方式實(shí)現(xiàn)的。設(shè)定R16，讓放大器在截取到電波正極的負(fù)載前先截取到負(fù)極的負(fù)載，然后讓放大器在沒有輸入信號的情況下運(yùn)行15 分鐘。15 分鐘之后，重新調(diào)整偏壓，以使它電路在稍微有點(diǎn)過驅(qū)動(dòng)時(shí)截波能夠?qū)ΨQ。15 分鐘以內(nèi)再重復(fù)一次調(diào)整操作，以確保散熱片已經(jīng)達(dá)到了熱平衡。

　　如果你用的是高質(zhì)量的直流電壓表，調(diào)整偏壓的方法也與上述步驟類似。測量一下通過R22 的電壓，如果負(fù)載為8Ω，那么通過R22 的電壓應(yīng)該是125mV ；如果負(fù)載是6Ω，電壓應(yīng)該是170mV ；而如果負(fù)載是4Ω，則電壓應(yīng)該是220mV。在放大器預(yù)熱好以后，應(yīng)該慢慢地調(diào)整偏壓，慢慢地調(diào)整到恰當(dāng)?shù)臄?shù)值。每隔一個(gè)半小時(shí)左右，應(yīng)該監(jiān)測并調(diào)整一下電壓。

　　制作原型放大器無需任何特別的元件，唯一需要調(diào)整的就是輸出偏壓電流。表1 中，列出了放大器的各種性能數(shù)據(jù)。以下是主要元件的詳細(xì)說明書，見表2。

表1

表2

　　放大器對20Hz（見圖7）和100kHz（見圖8）方波的響應(yīng)。圖9 展示了在-6dB 功率電平下500 000Hz的波形。所有的測試都由無感負(fù)載阻抗引導(dǎo)，但是由于負(fù)載中的電抗元件，放大器的表現(xiàn)依然沒有改變。

圖7 對20Hz方波的響應(yīng)

圖8 對100kHz方波的響應(yīng)

圖9 對500kHz正弦波的響應(yīng)

　　同時(shí)，由于完全的無功負(fù)載，放大器的失真特性實(shí)際上也沒有變化，對比8Ω 負(fù)載和10kHz 驅(qū)動(dòng)的2μF電容的諧波振幅，我們沒有檢測到任何明顯的不同。

　　輸出短路和輸入過驅(qū)動(dòng)不會(huì)對放大器造成損壞，無需出于穩(wěn)定性考慮而增加負(fù)載，它可以在任何頻率任何負(fù)載下運(yùn)行。在我們選擇放大器的各個(gè)元件的時(shí)候就充分考慮到了運(yùn)行的穩(wěn)定性，比如說，輸出晶體管運(yùn)行時(shí)處于它的額定電壓的1/3、額定恒電流的1/10 以及損耗耐受力的1/10，以此來保證放大器能有更長的使用壽命。

　　經(jīng)過大量的試聽后，我們認(rèn)為，這一放大器的聲音純凈度，足以彌補(bǔ)它耗電量大的缺點(diǎn)。該放大器聲音效果呈中性，我們發(fā)現(xiàn)可以將其作為評估前置放大器電路的好工具，因?yàn)樗却蠖鄶?shù)前置放大器電路要出色。它也可以用來驅(qū)動(dòng)靜電頭戴耳機(jī)，或者用做多路放大系統(tǒng)的高效率驅(qū)動(dòng)。

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