“簡潔至上”的晶體管甲類音頻功率放大器

　　Hi－Fi界有一句至理名言，就是“簡潔至上”。這就是說，假如能用一個元件或器件做成的電路，就盡量不用兩個。電子電路中常用的電子元件有電阻、電容、電感等，常用的電子器件有二極管、三極管及集成電路等。電阻、電容都屬于線性元件，在放大電路中可以認(rèn)為不會因它們而產(chǎn)生非線性失真。但是，目前用于放大的電子器件，不論是電子管、晶體管，還是集成電路，統(tǒng)統(tǒng)都是非線性器件，它們是放大電路中產(chǎn)生非線性失真的根源。因此，在放大電路中應(yīng)盡量少用管子。要做到這一點(diǎn)也并非容易，所以通常所見到的放大電路都比較復(fù)雜。要想“簡潔”，必須解決兩個問題：一是放大倍數(shù)要足夠大，至少應(yīng)該在接CD機(jī)時能夠達(dá)到額定的輸出功率；二是非線性失真要盡量小些，在不加負(fù)反饋或只加少量的負(fù)反饋時，諧波失真系數(shù)能夠達(dá)到Hi－Fi要求。
　　功率放大器的輸出電路方式，可按有無輸出變壓器分為兩類。無輸出變壓器的功放電路為了使揚(yáng)聲器中無直流電流通過，必須采用電容耦合(OTL電路)或者正負(fù)兩套電源(OCL電路)。本文介紹的晶體管甲類音頻放大器選用變壓器輸出的單管放大方式，每聲道只用兩只管子，而若采用互補(bǔ)推挽電路，則至少要用四五只管子。由于所用的輸出變壓器初級阻抗只有幾十歐姆，所以繞制起來很容易，性能也很容易達(dá)到要求。采用變壓器輸出的一個突出優(yōu)點(diǎn)就是可以避免燒揚(yáng)聲器。另外，變壓器次級線圈極小的直流電阻，會改善揚(yáng)聲器的阻尼，使瞬態(tài)失真減小。

電路結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

　　該晶體管甲類音頻功率放大器電路及電源電路如圖1所示。這一功放電路具有高達(dá)15W的有效值輸出功率，它只用兩只晶體管，并把它們直接相連，復(fù)合成一只高跨導(dǎo)的功率場效應(yīng)晶體管。這是筆者受到絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的啟發(fā)偶爾想到的。IGBT是一種新型半導(dǎo)體功率器件，已成功地應(yīng)用于高頻開關(guān)電源中，近幾年在高保真聲頻功率放大器中也常見到它的蹤影。它兼有雙極型晶體管(即普通PNP、NPN晶體管)和單極型晶體管(即場效應(yīng)管)兩者的優(yōu)點(diǎn)，但沒有兩者各自的缺點(diǎn)，所以應(yīng)用前景非常廣闊。普通晶體管的飽和壓降小，但開關(guān)速度慢，而且是正溫度系數(shù)。場效應(yīng)管不需要輸入電流，開關(guān)速度快，具有負(fù)的溫度系數(shù)，但是導(dǎo)通電阻較大。IGBT的等效電路如圖2所示，圖中(a)示出了由P溝道場效應(yīng)管和NPN型晶體管復(fù)合而成的IGBT等效電路，(b)示出了由N溝道場效應(yīng)管和PNP型晶體管復(fù)合而成的IGBT等效電路。由于目前的IGBT主要設(shè)計目的是用于開關(guān)電路而不是線性放大電路，所以其輸出特性曲線的線性不太好。筆者采用了一只性能優(yōu)良的日立名管2SJ77與一只國產(chǎn)大功率晶體管3DD9按IGBT結(jié)構(gòu)復(fù)合成輸出管。2SJ77(互補(bǔ)管為2SK214)是專門設(shè)計用于線性放大的中功率MOSFET，在高保真功率放大器中常用作推動管，口碑頗好。其跨導(dǎo)高達(dá)40mA/V(或40mS)，輸入電容CIS為90pF，還不到大功率場效應(yīng)管2SJ49(2SK134)輸入電容的六分之一。

　　這種復(fù)合方式有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)具有極高的跨導(dǎo)，可產(chǎn)生足夠的電壓增益。2SJ77的跨導(dǎo)為40mA/V。因?yàn)閂T1的漏極直接接到了VT2的基極，所以VT2的發(fā)射極電流就是VT1漏極電流的(β＋1)倍。如果VT2的電流放大系數(shù)β為50，則這只復(fù)合管的跨導(dǎo)就是2000mS。這就是說，場效應(yīng)管VT1的跨導(dǎo)被VT2放大了大約β倍。在圖1所示電路中3DD9的β選為40。當(dāng)R3短路、R4開路時的開環(huán)電壓放大倍數(shù)為60。負(fù)載為8Ω時最大輸出功率為15W，可計算出所需輸入電壓的有效值約為0.18V。當(dāng)R3=51Ω，R4開路時的電壓放大倍數(shù)約為30，這就是說，R3產(chǎn)生了－6dB的負(fù)反饋。當(dāng)R3=51Ω，R4=2kΩ時的總電壓放大倍數(shù)為15，總負(fù)反饋量為－12dB。其中R3產(chǎn)生的反饋為電流串聯(lián)負(fù)反饋，R4產(chǎn)生的反饋為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，各為－6dB。(2)VT1對于VT2來說為電流驅(qū)動，VT2的基極電流就是VT1的漏極電流，因此可避免雙極型晶體管VT2產(chǎn)生奇次諧波失真。場效應(yīng)管的柵源電壓UGS與其漏極電流ID為平方關(guān)系，雖然不是線性關(guān)系，但理論上只會產(chǎn)生二次諧波失真。而雙極型晶體管的基射電壓UBE與其集電極電流IC為指數(shù)關(guān)系，如果采用電壓源激勵，就會同時產(chǎn)生奇次和偶次諧波失真。但是如果采用電流驅(qū)動，則集電極電流IC與基射電壓UBE無關(guān)，就可避免奇次諧波失真的產(chǎn)生。該功率放大器的音色醇厚而溫暖，頗有膽機(jī)的味道，其原因可能就在于此。(3)復(fù)合管的輸出管VT2的集電極直接接地，因此與散熱器之間不必加絕緣墊，有利于減小熱阻，這對于產(chǎn)生熱量較大的甲類功放更顯得必要。實(shí)際安裝時，應(yīng)將2SJ77靠近3DD9，目的是產(chǎn)生熱耦合，利用MOS型場效應(yīng)管的負(fù)溫度系數(shù)改善整個放大電路的溫度特性。如果不加負(fù)反饋，則2SJ77也可以不加絕緣墊，因?yàn)樗脑礃O(即中間的管腳)正好為外殼。(4)這種復(fù)合管比目前IGBT管線性好，并且價格低。
　　該功放大器電路的偏置電路利用發(fā)光二極管作為偏壓穩(wěn)定，在電源電壓發(fā)生波動時，可保持靜態(tài)電流基本不變。
　　電源電路采用扼流圈輸入式倒L型濾波電路，輸出直流電壓約為電源變器次級電壓有效值的0.9倍。濾波電感器要求電感量大于1H，電流大于1.5A。如果感到扼流圈不便于自制與安裝，也可以采用圖3所示的穩(wěn)壓電源供電。因?yàn)閱味朔糯箅娐穼﹄娫醇y波沒有抑制作用，所以如果不用扼流圈或穩(wěn)壓電源而僅靠電容濾波，則即使電容用到20000μF時，也仍有幾十毫伏的交流聲。

　　圖1所示電路中的VT1與VT2，如改用MJ29585與2SK214，則輸出功率為10W。需注意的是復(fù)合后管子屬于N溝道的IGBT，故電源與電路中有極性的元器件與組件的極性都要反過來。

安裝、調(diào)試與技術(shù)指標(biāo)

　　1.元器件的選擇　輸出管VT2選用國產(chǎn)的3DD9(F－3型金屬封裝)，也可使用2SC2922等大功率管，但要求左右聲道兩只管盡量做到特性一致。最好用晶體管特性圖示儀測試，挑選線性較好(即曲線間隔均勻)的管子，但應(yīng)該注意測試條件要盡量接近實(shí)際工作狀態(tài)。正宗的進(jìn)口管線性較好，一致性也較佳。而國產(chǎn)管的離散性較大，需要耐心挑選。還要特別注意該晶體管基極開路時的集射極間最高反向擊穿電壓，這一電壓應(yīng)大于電源電壓的三倍以上(即不低于160V)，并要留有一定的裕量。否則當(dāng)揚(yáng)聲器開路時，輸出變壓器產(chǎn)生的感應(yīng)電壓容易將管子擊穿。
　　當(dāng)VT2的電流放大系數(shù)為40，集電極靜態(tài)電流為0.7A時，基極電流約為17.5mA，它等于VT1的漏極電流。為了使VT1的靜態(tài)工作電流不致于太小而進(jìn)入非線性區(qū)，VT2的電流放大系數(shù)就不能太大。例如，若選VT2的電流放大系數(shù)為100，則VT1的漏極電流僅為7mA就可以使VT2的集電極電流達(dá)到0.7A。常見進(jìn)口大功率管(如三肯的2SC2922，東芝的2SC3281等)的β值一般都在90以上，故VT2選用國產(chǎn)的3DD9。國產(chǎn)的3DF10C采用F－4型金屬封裝，也很不錯。
　　推動管VT1選用2SJ77，也需要在接近實(shí)際工作狀態(tài)的條件下進(jìn)行挑選配對。2SJ77的挑選配對工作可采用圖4所示的電路來進(jìn)行。，圖中6V電源可采用4節(jié)1號干電池。調(diào)節(jié)1kΩ電位器使100Ω電阻上的電壓為1.75V，此時漏極電流即為17.5mA。再用數(shù)字萬用表測量并記錄此時柵極對源極的直流電壓UGS，挑選兩只UGS相近的管子即可。如果要測量2SK214，則別忘了把電源極性反過來。MOS型場效應(yīng)管比較嬌氣，所以用晶體管特性圖示儀測試時，要特別謹(jǐn)慎，以免接地不良將管子擊穿損壞。

　　電源變壓器的功率容量應(yīng)不小于150VA，次級額定電流不應(yīng)低于2A。
　　輸出變壓器的制作工藝比膽機(jī)要求簡單得多。要求初級阻抗為72Ω，如果次級負(fù)載阻抗為8Ω，則初次級的匝數(shù)比為3∶1。該功率放大器所用輸出變壓器是在定州飛達(dá)電子廠定做的，也可以參照有關(guān)資料自己制作。
　　穩(wěn)壓電源中的調(diào)整管采用了國產(chǎn)鍺晶體管3AD30C，要求其電流放大系數(shù)不低于70。穩(wěn)壓電路雖然為集電極輸出電路，但由于鍺管的穿透電流比較大，故可不必另外設(shè)置啟動電路。調(diào)整管的集電極也可以直接接地。穩(wěn)壓二極管采用μ574，是彩電中專門用于穩(wěn)定高頻頭調(diào)諧電壓的集成電路，效果很好。同時還要調(diào)整取樣電阻，使輸出電壓為＋38V，電源變壓器的次級電壓也應(yīng)降為43V左右。
　　2.安裝與調(diào)試　輸出管VT2在工作時會產(chǎn)生較大的熱量，所以應(yīng)加上足夠面積的散熱器，并在兩者的接觸面上涂上導(dǎo)熱硅脂。因?yàn)樵摲糯箅娐贩浅：唵危圆捎么钆锓绞胶附?，找三只具?個焊片的接線架就夠用。要將每個聲道的兩只管子裝在同一塊散熱器上，并且盡量靠近。防自激電阻R2(1kΩ)靠近柵極一端的引線應(yīng)盡量短一些。為了保證在焊接時MOS型場效應(yīng)管不至于損壞，可先用細(xì)保險絲將其三個電極繞接在一起，等整個電路都焊接完畢后再拆開。盡管這樣，還是要注意電烙鐵的金屬外殼接地是否良好。最為保險的方法是拔掉電烙鐵的電源插頭，利用余熱進(jìn)行焊接。
　　整機(jī)的調(diào)整工作非常簡單，只要在輸出變壓器的初級回路中串入一個1A的直流電流表，再調(diào)整相應(yīng)的可調(diào)電阻，使兩管總電流大約為720mA即可。也可以串上一個0.1～0.3Ω的取樣電阻，測出其兩端電壓后再換算出電流值。
　　3.主要技術(shù)指標(biāo)　該音頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)如下：頻率響應(yīng)為25Hz～45kHz(－1dB)，12Hz～66kHz(－3dB)；最大輸出功率為15W(RMS)；靈敏度為0.73V(RMS)；殘留噪聲(采用穩(wěn)電源時)為0.32mV；最高效率(正弦波)為43％。