6N3+LM4780功放制作教程

今天終于把畢業(yè)論文交出了。兩周前開始畫功放的電路圖，心里一直想著這件事情，已經(jīng)拖了不少時(shí)間了。主要原因是一直沒有找到漂亮的電路圖繪制工具?？傆X得Protel、Visio 畫出來的電路不好看。Protel 元件比例不協(xié)調(diào)，Visio有些格點(diǎn)自動(dòng)捕捉功能太霸道了，而且在兩條導(dǎo)線交叉時(shí)會(huì)自動(dòng)加上難看的橋形跳線符號(hào)（可能是我不會(huì)用）。也試過SmartDraw，覺得也是自動(dòng)捕捉功能太要命，鼠標(biāo)一靠近元件就被捕捉過去了，得非常小心才行。后來，還是決定使用 Johns HopkinsUniversity 開發(fā)的 Xcircuit。它必須在 Linux、Unix 下用，所以為此還學(xué)了 Linux。從而也就改變了以前覺得Linux 特費(fèi)事的觀點(diǎn)，裝一個(gè) ubuntu 比裝 windows還省事，office、播放器什么都不用單獨(dú)裝，系統(tǒng)裝完就完全可以用了。殺毒軟件也免了。使用后發(fā)現(xiàn)，用 Xcircuit 可以直接畫出 ps的文檔，全都是矢量圖，縮放沒有失真，而且自己覺得看上去和國(guó)家半導(dǎo)體、德州儀器元件數(shù)據(jù)手冊(cè)上的電路圖風(fēng)格有些相似了，嘿嘿。

言歸正傳，上次介紹的功放采用了如下的電子管前級(jí)電路。

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該電路事實(shí)上是一個(gè)SRPP電路和陰極輸出器的級(jí)聯(lián)，兩者之間直接耦合。對(duì)于我們這一代人來說，晶體管電路已經(jīng)先入為主，一下子可能還不能接受電子管電路。實(shí)際上，電子管電路實(shí)現(xiàn)的是和晶體管電路同樣的功能。下圖是實(shí)現(xiàn)同樣功能的電子管共陰極放大器和晶體管共射極放大器。

而下圖是實(shí)現(xiàn)同樣功能的電子管陰極跟隨器和射級(jí)跟隨器。

雖然說功能相同，但是電路上還是有很多不同。

首先，電子管的工作電壓比晶體管高得多，前者為數(shù)百伏，后者僅需幾伏。顯然兩者不能直接替換。

第二，電子管依靠陰極受熱后發(fā)射電子，屏極（陽(yáng)極）加有高正電壓，可以收集這些電子。如果屏極相對(duì)陰極加負(fù)電壓則屏極排斥電子，沒有電流產(chǎn)生，這就是電子管二極管的整流原理。所以，電子管要工作需要加熱，這一般通過給靠近陰極的燈絲通電來實(shí)現(xiàn)，否則電子管不能工作。這也是電子管發(fā)熱大的原因。

第三，三極管工作原理是是在陰極和屏極間用細(xì)金屬絲網(wǎng)加了一個(gè)柵極，屏極加正高壓時(shí)，柵極上加一個(gè)很小的負(fù)電壓就能夠使減小屏極電流，達(dá)到控制屏極電流的目的。所以于NPN型晶體管放大電路需要在基極加正向偏置不同，電子管正常工作時(shí)柵極和陰極之間的電壓是負(fù)電壓（負(fù)柵壓）。這使得電子管有一種非常方便的偏置方法——陰極自生偏壓：

電路中 Rk由于陰極電流，會(huì)產(chǎn)生幾伏的壓降。由于柵極通過電阻接地，柵極就自然產(chǎn)生了相對(duì)于陰極的負(fù)柵壓。這種偏置方法還有自動(dòng)穩(wěn)定的作用。例如某外界原因?qū)е玛帢O電流（就是屏極電流，柵極電流為零）變大，則柵壓自動(dòng)變負(fù)，陰極電流又自動(dòng)變小。但是高檔的電子管放大器是不這樣偏置的，因?yàn)檫@樣偏置不精確。通常使用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然沒有了上述穩(wěn)定性。

這個(gè)前級(jí)使用了一個(gè)SRPP（shunt regulatedpush-pull）電路。這個(gè)電路的特點(diǎn)是高頻相應(yīng)好。我們知道，晶體管共射放大器的上限頻率由晶體管發(fā)射結(jié)分布電容和發(fā)射極負(fù)載電阻的乘積決定。當(dāng)晶體管確定時(shí)，分布電容就定了，那么要提高上限頻率，只能增大負(fù)載電阻。選用普通電阻自然不能增大太多，否則電路工作點(diǎn)就不對(duì)了。于是人們就用有源負(fù)載，比如用恒流源，交流電阻很大，整個(gè)電路增益高、頻響好?，F(xiàn)在集成電路都是這么做的。類似地，電子管電路也能這樣變化。例如將共陰放大器和陰極跟隨器的級(jí)聯(lián)變成 SRPP 電路：

可以看出，通過 SRPP，取消了 V1 的屏極負(fù)載電阻 Ra，這使得 V1的負(fù)載電阻變大了。也就拓寬了頻響。順便說以下，這種共陰放大器的增益可以表示為 A = g R，其中 g 是跨導(dǎo)，R是電子管陽(yáng)極內(nèi)阻和外部屏極負(fù)載電阻的并聯(lián)值。由于陽(yáng)極內(nèi)阻的存在，增大負(fù)載電阻并不能無限制地提高增益和拓寬頻響。

功放制作——石后級(jí)

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這個(gè)功放采用了集成電路的后級(jí)，也算是石后級(jí)吧。主流的高保真音頻功率放大器都采用互補(bǔ)全對(duì)稱晶體管電路，通過精心配對(duì)元件，獲得電路的對(duì)稱性，所有的NPN管和PNP管都是配對(duì)的。這相當(dāng)于是用分立元件搭出一個(gè)運(yùn)算放大器來。而且，這種分立元件放大器具有集成運(yùn)放不具有的優(yōu)勢(shì)，分立元件的工藝可以造出集成工藝所無法制成的高頻大功率晶體管來。尤其是大功率PNP型管，集成工藝目前還達(dá)不到分立元件的水平。所以集成功放芯片一般使用準(zhǔn)互補(bǔ)輸出，也就是以一個(gè)中功率PNP管推動(dòng)一個(gè)大功率NPN管，來替代大功率PNP管。這樣導(dǎo)致電路不是完全對(duì)稱，所以會(huì)有一些非線性失真。但是，集成功放的增益可以很大（如100db），用深度負(fù)反饋能夠補(bǔ)償這種失真。

高保真發(fā)燒友們接受集成功放的不多。但是它的成本低、制作容易、調(diào)試簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)吸引了我。而且，前些年用LM3886裝過一個(gè)2*50W合并式功放，對(duì)它的音質(zhì)相當(dāng)滿意。2004年，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體又推出了大功率集成功放LM4780，又使我萌生了制作更大功率功放的念頭。這個(gè)功放的后級(jí)電路如下圖所示。

我們還是先介紹一些功放后級(jí)電路的基礎(chǔ)。事實(shí)上，功放前級(jí)關(guān)心的是增益，后級(jí)關(guān)心的則是帶負(fù)載能力。通常的揚(yáng)聲器阻抗都是8歐，若要產(chǎn)生10W的輸出，后級(jí)的電流輸出能力就必須大于1A。就這一點(diǎn)，集成運(yùn)算放大器就不能勝任。所以必須加接電流放大級(jí)。這些電流放大級(jí)的電壓增益甚至不到1，一般都是使用射級(jí)跟隨器。功放后級(jí)的輸出方式后變壓器輸出、OTL（Output TransformerLess，無輸出變壓器，下圖（a））、OCL（OutputCapacitorLess，無輸出電容，下圖（b））、BTL（BridgedTransformerLess，橋式，下圖（c））等幾種。變壓器輸出一般用于電子管后級(jí)很少用于晶體管電路，后三種在晶體管和集成電路后級(jí)中廣泛采用。

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OTL電路采用單電源即可工作，所以在便攜式功放中很常用，如果不加輸出電容，則穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓為0.5Vcc，所以輸出電容不可省去。但是輸出電容也影響了電路的低頻響應(yīng)。為了提高低頻響應(yīng)，OCL電路使用對(duì)稱雙電源供電，使穩(wěn)態(tài)輸出為0V，省去輸出電容。這時(shí)，加在負(fù)載上的最大電壓為Vcc。這樣電源電壓利用率偏低，因?yàn)檎麄€(gè)電源電壓為2Vcc。提高利用率的方式是使用BTL電路，負(fù)載接在電橋中，兩端的最大電壓可達(dá)2Vcc，相同供電電壓下輸出功率是OCL的四倍，但是元件數(shù)量翻倍。下圖示出了BTL電路的原理。每次都是電橋?qū)?cè)橋臂上的管子同時(shí)導(dǎo)通和截止。由于負(fù)載中點(diǎn)電壓始終在0V，我們可以把BTL電路看成是兩個(gè)等效負(fù)載為0.5RL的OCL電路。

現(xiàn)在沒有人會(huì)用分立元件組裝BTL后級(jí)，因?yàn)榕c其消耗多一倍的元件搭建電路，不如把電源電壓提高一倍來提高輸出功率成本低廉。但是，集成電路工藝限制了集成功放芯片供電電壓的提升。LM4780的極限工作電壓為+-42V，已經(jīng)是很高了，通常工作在+-35V，這時(shí)的輸出功率在50W（8歐負(fù)載）。要想獲得100W以上的輸出功率，只有考慮BTL電路了。順便說一句，現(xiàn)在的便攜式設(shè)備如果有揚(yáng)聲器，也偏向于使用BTL，因?yàn)殡姵仉妷旱?，要提高功率，使用BTL是上策，因?yàn)樵诩呻娐防锒嘧鲆粋€(gè)放大器成本也增加不了多少。用集成放大器實(shí)現(xiàn)BTL的方法可以有以下兩種。

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圖（a）是比較直接的想法，兩個(gè)增益互為相反數(shù)的功放推動(dòng)一個(gè)負(fù)載。但是這樣做有一個(gè)缺點(diǎn)，我們知道運(yùn)放接成反相放大器（A2）時(shí)輸入阻抗很低，這就會(huì)對(duì)電子管前級(jí)造成比較重的負(fù)載引起失真。如果前級(jí)是運(yùn)放就沒有問題。因而我們用（b）電路，A1在放大的同時(shí)起到緩沖的作用，另外用一個(gè)增益為－1的緩沖器產(chǎn)生一個(gè)反相輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，達(dá)到同樣的效果。