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[图文]“简洁至上”的晶体管甲类音频功放           ★★★ 【字体:
“简洁至上”的晶体管甲类音频功放
作者:imefan    文章来源:网络    点击数:    更新时间:2008-9-1    

  Hi-Fi界有一句至理名言,就是“简洁至上”。这就是说,假如能用一个元件或器件做成的电路,就尽量不用两个。电子电路中常用的电子元件有电阻、电容、电感等,常用的电子器件有二极管三极管及集成电路等。电阻、电容都属于线性元件,在放大电路中可以认为不会因它们而产生非线性失真。但是,目前用于放大的电子器件,不论是电子管、晶体管,还是集成电路,统统都是非线性器件,它们是放大电路中产生非线性失真的根源。因此,在放大电路中应尽量少用管子。要做到这一点也并非容易,所以通常所见到的放大电路都比较复杂。要想“简洁”,必须解决两个问题:一是放大倍数要足够大,至少应该在接CD机时能够达到额定的输出功率;二是非线性失真要尽量小些,在不加负反馈或只加少量的负反馈时,谐波失真系数能够达到Hi-Fi要求。

  功率放大器的输出电路方式,可按有无输出变压器分为两类。无输出变压器的功放电路为了使扬声器中无直流电流通过,必须采用电容耦合(OTL电路)或者正负两套电源(OCL电路)。本文介绍的晶体管甲类音频放大器选用变压器输出的单管放大方式,每声道只用两只管子,而若采用互补推挽电路,则至少要用四五只管子。由于所用的输出变压器初级阻抗只有几十欧姆,所以绕制起来很容易,性能也很容易达到要求。采用变压器输出的一个突出优点就是可以避免烧扬声器。另外,变压器次级线圈极小的直流电阻,会改善扬声器的阻尼,使瞬态失真减小。

电路结构与特点
 

  该晶体管甲类音频功率放大器电路及电源电路如图1所示。这一功放电路具有高达15W的有效值输出功率,它只用两只晶体管,并把它们直接相连,复合成一只高跨导的功率场效应晶体管。这是笔者受到绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的启发偶尔想到的。 IGBT是一种新型半导体功率器件,已成功地应用于高频开关电源中,近几年在高保真声频功率放大器中也常见到它的踪影。它兼有双极型晶体管(即普通 PNP、NPN晶体管)和单极型晶体管(即场效应管)两者的优点,但没有两者各自的缺点,所以应用前景非常广阔。普通晶体管的饱和压降小,但开关速度慢,而且是正温度系数。场效应管不需要输入电流,开关速度快,具有负的温度系数,但是导通电阻较大。
 
  IGBT的等效电路如图2所示,图中(a)示出了由P沟道场效应管和NPN型晶体管复合而成的IGBT等效电路,(b)示出了由N沟道场效应管和PNP型晶体管复合而成的IGBT等效电路。由于目前的IGBT主要设计目的是用于开关电路而不是线性放大电路,所以其输出特性曲线的线性不太好。笔者采用了一只性能优良的日立名管2SJ77与一只国产大功率晶体管 3DD9按IGBT结构复合成输出管。2SJ77(互补管为2SK214)是专门设计用于线性放大的中功率MOSFET,在高保真功率放大器中常用作推动管,口碑颇好。其跨导高达40mA/V(或40mS),输入电容CIS为90pF,还不到大功率场效应管2SJ49(2SK134)输入电容的六分之一。

 这种复合方式有以下显著优点

 (1)具有极高的跨导,可产生足够的电压增益。2SJ77的跨导为40mA/V。因为VT1的漏极直接接到了VT2的基极,所以VT2的发射极电流就是VT1漏极电流的(β+1)倍。如果VT2的电流放大系数β为 50,则这只复合管的跨导就是2000mS。这就是说,场效应管VT1的跨导被VT2放大了大约β倍。在图1所示电路中3DD9的β选为40。当R3短路、R4开路时的开环电压放大倍数为60。负载为8Ω时最大输出功率为15W,可计算出所需输入电压的有效值约为0.18V。当R3=51Ω,R4开路时的电压放大倍数约为30,这就是说,R3产生了-6dB的负反馈。当R3=51Ω,R4=2kΩ时的总电压放大倍数为15,总负反馈量为-12dB。其中 R3产生的反馈为电流串联负反馈,R4产生的反馈为电压串联负反馈,各为-6dB。

 (2)VT1对于VT2来说为电流驱动,VT2的基极电流就是VT1的漏极电流,因此可避免双极型晶体管VT2产生奇次谐波失真。场效应管的栅源电压UGS与其漏极电流ID为平方关系,虽然不是线性关系,但理论上只会产生二次谐波失真。而双极型晶体管的基射电压UBE与其集电极电流IC为指数关系,如果采用电压源激励,就会同时产生奇次和偶次谐波失真。但是如果采用电流驱动,则集电极电流IC与基射电压UBE无关,就可避免奇次谐波失真的产生。该功率放大器的音色醇厚而温暖,颇有胆机的味道,其原因可能就在于此。

 (3)复合管的输出管VT2的集电极直接接地,因此与散热器之间不必加绝缘垫,有利于减小热阻,这对于产生热量较大的甲类功放更显得必要。实际安装时,应将2SJ77靠近3DD9,目的是产生热耦合,利用MOS型场效应管的负温度系数改善整个放大电路的温度特性。如果不加负反馈,则2SJ77也可以不加绝缘垫,因为它的源极(即中间的管脚)正好

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