用場效應(yīng)管做有膽味的功率放大器

隋傳國

（廣東白云學(xué)院 廣東 廣州 510450）

對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，由集成運算放大器構(gòu)成的前級聲音單薄、缺乏活力[1]。所以，可不可以前級采用單管甲類放大器，后級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[2]。

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，對音樂細節(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[7]。

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=0 V，RG= 100 kΩ, f =120 Hz測試條件下，噪聲系數(shù)的典型值是0.5 dB[6]。噪聲系數(shù)的定義是系統(tǒng)輸入信號的信噪比除以系統(tǒng)輸出信號的信噪比，用分貝表示：

NF= 20*log ([Si/Ni]/[So/No])

Si= 輸入信號的功率

So= 輸出信號的功率

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[3]。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隨著溫度的升高而升高。場效應(yīng)管恰恰相反，具有負的溫度系數(shù), 即他的漏極電流隨其結(jié)溫的升高而下降[4]。推動級及輸出級用雙極型晶體管就要用到溫度補償電路,才能保證輸出晶體管的靜態(tài)工作點不隨環(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 前級的構(gòu)成

場效應(yīng)管單管甲類前級放大器見圖1。Tf1源極電位實測為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，該工作點的線性最好[6]。該級放大器放大倍數(shù)依據(jù)公式計算，式中

gm——場效應(yīng)管的跨導(dǎo)。

2SK30AMT在VDS=10 V，VGS=0 V時的最小跨導(dǎo) gm=1.2 ms。那么該級放大器放大倍數(shù)為6.72。

音量調(diào)節(jié)通過進階開關(guān)加11個固定電阻進行，每個電阻10k。這樣做的好處是既經(jīng)濟，質(zhì)量又好。音量調(diào)節(jié)實為10級，聽音效果十分理想。

第二級放大電路作源極輸出器，旨在匹配電路，提高前級的負載能力，放大倍數(shù)近似為1。靜態(tài)工作點仍然十分重要，Tf2源極電位實測為5.5 V，位于電源電壓的中值附近，很好。在該級上，同樣可算出漏極電流2.75 mA，也要滿足甲類放大器對靜態(tài)的要求。

隔直電容Cf7，Cf8對音質(zhì)的好壞影響較大，選用進口名牌WIMA電容。

圖1 JFET型場效應(yīng)管甲類放大器前級Fig. 1 Pre-amplifier chart of the JFET in a style

2.2 后級放大電路仍采用推挽式、甲乙類放大器

對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時的漏極電流。在VGS=0時，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。推動級和輸出級對應(yīng)對管的互補性要求與差動放大器完全相同，這里不再贅述，請讀者參考前文所述內(nèi)容。

2.3 整機的調(diào)試

末級(Tm9和Tm10)電流的靜態(tài)值的設(shè)置對聽音效果影響較大，大一些，聲音溫暖，柔和一些，但效率降低。過大，鬧不好會損壞功率器件。調(diào)節(jié)Rm22能改變Tm7和Tm8的柵極電位，進而影響到Tm9和Tm10的柵極電位及末級電流。最初通電調(diào)試時，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，眼睛緊緊盯住中點電位（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。

圖2 功率放大電路圖Fig. 2 Circuit of the power amplifier

Rm3和Rm4兩端的電壓降以2 V為好。太高會造成后級（Tm9和Tm10）靜態(tài)電流過大；太低會使聲音失真明顯。調(diào)節(jié)Rr4能調(diào)節(jié)這個電壓。

為了提高放音的靈性，反饋量不宜過大，由Rm7和Rm8決定[5]。這里選擇反饋系數(shù)為0.1，從聽音效果看十分理想。

3 放大器的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 前后級的關(guān)鍵技術(shù)

本著簡潔至上的理念，盡量減少多余環(huán)節(jié)和減小負反饋量。由集成運算放大器構(gòu)成的電路，聲音缺少活力，音場處于一個平面。因此本電路未采用任何集成電路。

對于對稱放大器而言，對管的選配決定放大電路質(zhì)量的高低。從某種程度上講，做放大器就是選對管。

對于前級放大電路，兩個結(jié)型場效應(yīng)管（Tf1和Tf2）的VGS設(shè)計為-0.5 V是比較理想的選擇，這是根據(jù)他們的輸出特性所作的選擇。

V7、V8（見圖2）電位的高低，影響放音效果的好壞，電位差大些，聲音會厚些，韻味足些。反之，聲音差些。通過調(diào)節(jié)電位器Rr3來調(diào)節(jié)V7、V8的電位，Rr3阻值減小時，V7、V8電位差亦減小。圖2中V7、V8電壓值是比較理想的，此時末級電流200 mA左右。如太小，聲音太冷，蒼白無力；太大，費電，且對音質(zhì)的提高幫助不大。

3.2 電源質(zhì)量對放大器至關(guān)重要

±24 V穩(wěn)壓電路如圖3所示。該電源具有軟啟動功能，具有正負電源分別短路或同時短路的保護功能。當(dāng)正、負電源的任何一端對地短路時，將會使負、正電源電壓為零，從而保護了功放電路的輸出管。揚聲器中就不會有大的直流電流通過，從而有效地保護了揚聲器。

圖3 直流電源Fig. 3 DC power supply

該電源的軟啟動電路能消除開機時沖擊揚聲器的大電流，避免接通電源瞬間“噗噗”聲。軟啟動電路由Rs9,Cs9,R10,Ds9,Rs11Rs12和晶閘管SCR組成。開機延遲時間由Rs9、Cs9時間常數(shù)決定，本例中此常數(shù)為0.47 s，開機時音箱中一點兒“噗”聲也沒有。

3.3 其 他

大電流線路布線寬度100 mil，加錫。地線也是100 mil，加錫。

電容除電源濾波用電容外，全部采用德國高品質(zhì)WIMA電容。

4 放大器降噪措施

在擺放元件布線時，嚴(yán)禁前后級交叉。

電位器質(zhì)量低會引起較明顯的噪音。

前、后級電源一定要分開，否則來自后級的大動態(tài)信號會通過電源送到前級，造成明顯的干擾現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

放大器做得好才能實現(xiàn)細小的聲音重現(xiàn)，高頻延伸透明，低音渾重，中音舒展洪亮。通過實驗比對，用場效應(yīng)管制作的放大器噪聲系數(shù)低，聲音圓潤，且體積小，具有獨特的魅力。

[1] 吳剛.G&W TW-200LM 2×68W帶動態(tài)反饋合并式功率放大器[J].音響技術(shù),1997(2):2-27.WU Gang.G&W TW-200LM 2×68W amplifier with dynamic feed back merge[J].AV Technology,1997(2):2-27.

[2] 從余.MOS-FET末級無負反饋蓄電池供電甲類6瓦功率放大器[J].實用電子文摘,1997(1):21-23.CONG Yu. Class A 6-watt battery-powered amplifier with Mos-FET final stage no negative feedback[J].Shiyong Dianzi Wenzhai,1997(1):21-23.

[3] 王清瑞. 50W×2純甲類FET功放的實際制作[J].實用影音技術(shù),1999(8):46-48.WANG Qing-rui.Actual production of 50W×2 pure class A FET amplifier[J].Shiyong Yingyin-Jishu,1999(8):46-48.

[4] 鐘文祥.單端A類放大器及場效應(yīng)管(3) [J].音響技術(shù)，2010(6):56-57.ZHONG Wen-xiang.Single-ended class A amplifiers and FET(3)[J].AV Technology,2010(6):56-57.

[5] 徐松森.MOS-FET無反饋50W功放的制作[J].實用影音技術(shù),2006(8):57-59.XU Song-sen.Production of MOS-FET 50W amplifier without feedback[J].Shiyong Yingyin-Jishu,2006(8):57-59.

[6] Toshiba Semiconductor.2SK30ATM- Silicon N Channel Junction Type Low Noise Pre-Amplifier, Tone Control Amplifier and DC-AC High Input Impedance Amplifier Circuit Applications[EB/OL][2007-11-01].http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/213175/TOSHIBA/2SK30ATM.html.

[7] 佚名.場效應(yīng)管特性及單端甲類功放的設(shè)計[EB/OL].(2009-12) http://www.elecfans.com/.