1、場(chǎng)效應(yīng)管單端甲類功放設(shè)計(jì)及制作音頻功率放大器簡(jiǎn)介 音頻放大器按所用放大器件可分為電子管放大器、晶體管放大器、集成電路放大器、場(chǎng)效應(yīng)管放大器以及由上述所用器件兩種或兩種以上組成的混合放大器，各類放大器電路及所用元器件也是五花八門、千變?nèi)f化，由此對(duì)音源的重放音質(zhì)又各具特色，很難說哪一種放大器能以偏概全、技?jí)喝悍汲蔀槿f能放大器。 電子管放大器由于空間電荷的傳輸時(shí)滯作用，重放音色溫暖柔和，尤其是弦樂人聲，表現(xiàn)為醇美剔透，耐人尋味。晶體管以及集成電路放大器具有犀利的分析力、寬闊的頻響和強(qiáng)勁的動(dòng)態(tài)，具有朝氣蓬勃、催人奮進(jìn)的感召力。場(chǎng)效應(yīng)管放大器以及混合器件放大器，力圖綜合電子管和晶體管音頻特性，開創(chuàng)異彩，

2、讓樂聲更傳神，讓音色更完美。 近些年來，隨著電子電腦技術(shù)的不斷發(fā)展，各種電子合成器、各種音頻效果器和膽音效果器軟件以及虛擬揚(yáng)聲器技術(shù)層出不窮。這使得音頻放大器硬件的發(fā)展和普及遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上軟件的速度，在精確度上硬件往往也趕不上軟件，如電腦模擬3D效果逼真度大大超過真實(shí)3D效果，不受聽音室的空間以及聲源合成的限制，同時(shí)也節(jié)省投入硬件的開支。 綠色音響、雙料發(fā)燒 電腦音響很有可能會(huì)成為未來音響的主流，硬件不行軟件來，實(shí)行軟硬兼施，功能強(qiáng)悍，集中體現(xiàn)了高效、便捷、神奇以及經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。如在電腦中設(shè)置虛擬光驅(qū)，每次播放樂曲時(shí)，就不必啟動(dòng)物理光驅(qū)，這樣不僅減少等待曲目時(shí)間及物理光驅(qū)的磨損，更重要的是消除了物理

3、光驅(qū)的噪聲，實(shí)現(xiàn)高保真放音。再如，膽管功放放音柔和耐聽，而制作成本不薄，并且取得靚音的要件比較多，而通過膽音效果器軟件，可為我們?cè)陔娔X中造就一個(gè)“軟膽”，就可以模擬出膽機(jī)的音色。目前電腦多媒體音響正處于進(jìn)階時(shí)期，并與電視也架起了溝通的橋梁，其前景是十分燦爛誘人的!電腦以及音響發(fā)燒友，是一個(gè)不惜時(shí)間和精力，積極探索追求音質(zhì)的特殊層面，將繼續(xù)擔(dān)起一份愛樂責(zé)任，生活中多一首甜美的歌聲，就少一幕苦澀的紛爭(zhēng)。無論是普通音響，還是電腦多媒體音響，功率放大器依然是音頻能量擴(kuò)大推動(dòng)揚(yáng)聲器出聲不可或缺的終端，各類放大器均能較好地實(shí)現(xiàn)這一功能。不過現(xiàn)代人們對(duì)音響(技術(shù)因素為主，如頻率響應(yīng)、失真度、信噪比等)和音樂

4、(藝術(shù)魅力為主，如聲底是否醇厚、堂音是否豐富、聽感是否順耳等)的苛求愈來愈高，不少“金耳朵”能夠聽出歌手的齒音、口角以及身臨其境、直逼現(xiàn)場(chǎng)的感覺，因此對(duì)音頻放大器重放音色也寄予更大的要求，努力以特色音響塑造迷人的音樂氛圍。 各類音頻放大器具有各自的優(yōu)點(diǎn)及屬性，也各有其不足之處，而場(chǎng)效應(yīng)管放大器主流兼具晶體管和電子管兩者的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還具備兩者所沒有的優(yōu)勢(shì)。在電路程式上，大量實(shí)踐證明，單端甲類功放是以效率換音質(zhì)的典范，具有無與倫比的音樂魅力。放大器的分類及單端甲類放大器性 能 放大器按工作狀態(tài)的不同一般可分為3類： A類放大器，又稱為甲類放大器； AB類放大器，又稱為甲乙類放大器； B類放大器，又

5、稱為乙類放大器。 在這3類放大器中，線性最好，音色最靚的是A類放大器，而單端甲類放大器與推挽放大器在設(shè)計(jì)上一個(gè)不同之處，就是使用一個(gè)放大器件來放大整個(gè)音樂波形。而推挽設(shè)計(jì)采用兩個(gè)放大器件，分別放大信號(hào)的正負(fù)半周，包括一些推挽甲類放大器。單端甲類放大與推挽放大一個(gè)顯著的不同特征就是放大后的音樂波形是一個(gè)完整的與輸入波形十分相似的波形，沒有推挽放大正負(fù)波形的交越失真，盡管推挽放大采用配對(duì)精度高達(dá)2 誤差甚至更小誤差的孿生管，但這只是一個(gè)片面性的數(shù)字描述，事實(shí)上正負(fù)波形不可能交接得好，加之電路元器件非線性引起的相移存在，交越失真將進(jìn)一步增大，當(dāng)然失真與音色在一定程度上并不對(duì)立，這要看設(shè)計(jì)放大器的用途

6、和目標(biāo)，并非推挽放大就此罷休，況且推挽放大器中，由于存在多次諧波，雖然原配正負(fù)波形交接不好，但諧波交接不能否定，只是與單端波形相比難以抗衡。 關(guān)于推挽放大諧波尤其是偶次諧波會(huì)相互抵消這一說法，筆者不予完全認(rèn)同，只有相移失真達(dá)180°或360°等諧波成分才會(huì)相互抵消。如推挽功放中的直流高壓中的交流紋波經(jīng)推挽變壓器中心抽頭平均分成兩路，由于兩臂線圈極性相反，相差180°，交流紋波幾乎被完全抵消。 單端甲類放大器具有最自然的音樂性，其不對(duì)稱性與空氣受壓縮與擴(kuò)展的特性相似。由于組成空氣含量最多的為非極性分子氮?dú)?N2)，約占78，因此空氣是壓強(qiáng)能變得非常高的“單端無極”媒

7、介，使得單端A類樂聲最傳神，音色最醇美。VMOS場(chǎng)效應(yīng)管單端甲類功放的制作 設(shè)計(jì)放大器有兩個(gè)基本原則：一是簡(jiǎn)單，二是線性。而能做到最簡(jiǎn)單的放大器線路就是單端甲類了，簡(jiǎn)單不是單端甲類放大使用的唯一理由，是因?yàn)閱味思最惥哂凶蠲匀说囊魳犯小Ｔ贏類、B類、AB類線路程式中，線性最好的是甲類，而不足之處就是效率是最低的，約為20，是以效率換音質(zhì)的典范。 在單端甲類放大電路中使用的放大器件也有一番講究。晶體管具有太低的輸入阻抗，電子管的輸入阻抗很高，但其輸出阻抗也比較高，從原理上講電子管并不適合做功放輸出管，因此唯一的選擇是場(chǎng)效應(yīng)管。場(chǎng)效應(yīng)管具有很高的輸入阻抗和跨導(dǎo)，也能輸出很大的電流，很適合應(yīng)用在單端甲

8、類放大器中(場(chǎng)效應(yīng)管這里就不詳細(xì)介紹了,讀者可以參考本站場(chǎng)效應(yīng)管相關(guān)文章,如場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn),分類及選用)。而在眾多的場(chǎng)效應(yīng)管中，用VMOS場(chǎng)效應(yīng)管制作的單端甲類放大器，更領(lǐng)風(fēng)騷，魅力獨(dú)特。高端的鈦膜聲，中頻飽滿細(xì)膩流暢的磁性聲，彈性十足震撼人心的低頻轟炸聲，別有一番霸道氣勢(shì)。 在一般的設(shè)計(jì)中場(chǎng)效應(yīng)管特長(zhǎng)沒有得到充分發(fā)揮，甚至認(rèn)為聲音偏冷、偏暗，其實(shí)這不是場(chǎng)效應(yīng)管的原因。其聲音不好，一方面是人們使用它直接代換晶體管，晶體管的線路是不能發(fā)揮出場(chǎng)效應(yīng)管的特性的；另一方面，這些電路通常使用AB類的偏置。根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性，在低偏置時(shí)具有嚴(yán)重的非線性，帶來嚴(yán)重的失真，解決的辦法是讓其工作在A類狀態(tài)，特

9、別是單端A類，瞬態(tài)特性極佳，音質(zhì)純美，偶次諧波豐富，音色悅耳動(dòng)聽，更具有電子管的醇美音色。 下面將一款單端甲類場(chǎng)效應(yīng)管功放電路的設(shè)計(jì)及制作過程1.電路原理 單端甲類場(chǎng)效應(yīng)管功放電路五花八門，各有特色，本機(jī)電路如附圖所示。為了獲得靚麗的音色，采取簡(jiǎn)潔至上原則，多一個(gè)元件多一分失真，多一條線路多一分失真。現(xiàn)將電路原理作一簡(jiǎn)述，以拋磚引玉，其主要特點(diǎn)有以下一些。(1)為了避免普通音量電位器傳輸失真，非穩(wěn)態(tài)接觸電阻、摩擦噪聲和操作易感疲憊之嫌，本機(jī)采用音響型極低噪聲VMOS場(chǎng)效應(yīng)管IRFD113作指觸音量控制。其相對(duì)于鍵控音量電路又減少了一些元件，并加以屏蔽，使音量控制部分的噪聲系數(shù)達(dá)到1dB以下(V

10、MOS場(chǎng)效應(yīng)管噪聲系數(shù)在0.5dB左右)，敢與高檔真空步進(jìn)電位器或無源變壓器電位器抗衡，手感更貼切人性化。 VMOS場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)阻高，屬電壓控制器件，在柵極及源極之間連接充電電容，由于柵漏電流極小，電容電壓在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)能基本保持不變。當(dāng)管子工作于可調(diào)電阻區(qū)時(shí)，其漏源極電阻將受到柵源極電壓即電容的電壓所控制，這時(shí)管子相當(dāng)于壓控可變電阻，當(dāng)指觸(依手指電阻導(dǎo)電)開關(guān)S1閉合，即向電容充電，當(dāng)指觸開關(guān)S2閉合，即將電容放電，從而達(dá)到以電壓控制漏源極電阻的目的。將其按入音響設(shè)備中，即可調(diào)節(jié)音量的大小。S1和S2可用薄銀片或薄銅片制作，間距2mm左右，待調(diào)試后確定，音量增減量設(shè)置在±2dB左

11、右。(2)由IRF510作電壓放大，放大后的音頻電壓直耦至上臂管IRF150進(jìn)行擴(kuò)流并作源極輸出，下臂管IRF150構(gòu)成恒流源，直流為通路，交流為開路，使交流信號(hào)通過輸出電容推動(dòng)揚(yáng)聲器。(3)由于VMOS場(chǎng)效應(yīng)管具有負(fù)的電流溫度系數(shù)，即在柵極與源極之間電壓不變的情況下，導(dǎo)通電流會(huì)隨管溫升高而減小，從而避免管子二次擊穿。但管子溫度的變化與電流的變化速率相差甚遠(yuǎn)，對(duì)此為了防止負(fù)溫度系數(shù)慣性延遲而影響工作狀態(tài)，本機(jī)在IRF510陰極串上一只適當(dāng)阻值的正溫度系數(shù)補(bǔ)償電阻(100/2W )，以起到緩沖作用。其原理是當(dāng)沒有陰極電阻時(shí)，IRF510柵源電壓是恒定的固定偏壓，與管子電流變化無關(guān)，加上陰極電阻后

12、，當(dāng)管流減小時(shí)，源極電位也降低。而相對(duì)于柵極來說，柵極電位便提高了，這樣?xùn)旁措妷壕驮龃罅耍藭r(shí)管子電流便增加了，從而適量抵消負(fù)溫度系數(shù)產(chǎn)生的電流陡坡現(xiàn)象。陰極電阻阻值大小決定這種作用的大小，從而起到適當(dāng)?shù)木彌_作用，此電阻并不是電流負(fù)反饋電阻。(4)本機(jī)經(jīng)考慮后不采用OCL即無輸出電容電路，一則是為了揚(yáng)聲器安全，二則考慮零點(diǎn)失調(diào)電壓尤其是動(dòng)態(tài)時(shí)對(duì)揚(yáng)聲器音圈產(chǎn)生直流偏磁位移，直接影響揚(yáng)聲器性能，從而劣化音質(zhì)。由于大容量輸出電容多為電解電容，一般認(rèn)為噪聲較大，而實(shí)際上這是一個(gè)信噪比的問題，關(guān)鍵是應(yīng)用在什么電路，如將電解電容用在動(dòng)圈唱頭放大電路，就不合適，動(dòng)圈唱頭信號(hào)只有2mV左右，要求放大電路具有較

13、高的信噪比，用電解電容信噪比就低。而將電解電容用于功放末級(jí)輸出，情況就不一樣了，信噪比相對(duì)低電平電路會(huì)有大幅度提高。另外一點(diǎn)，電解電容在使用前最好進(jìn)行通電老化，并擇優(yōu)選用，然后上機(jī)后再進(jìn)行充分煲機(jī)，這樣可降低噪聲系數(shù)。沒有噪聲的元器件是沒有的，關(guān)鍵要合理運(yùn)用，并采取措施，以達(dá)到必要的目的。本機(jī)為了減小輸出電解電容由于感抗對(duì)高頻的影響，用3只電解電容并聯(lián)以減小感抗，并將揚(yáng)聲器的負(fù)極接電解電容的負(fù)極，以鉗位電解電容漏電流產(chǎn)生的音圈偏磁位移。(5)本機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管偏壓由電源模塊LM7812提供，功放電源不采取穩(wěn)壓電源供電，以避免限制樂聲的低頻力度和動(dòng)態(tài)，即降低電壓換電流，降低功率換音質(zhì)。2.制作調(diào)試 制

14、作本機(jī)時(shí)，兩聲道要用獨(dú)立電源供電，以提高分離度，減少干擾，并增強(qiáng)各聲道工作穩(wěn)定性。本機(jī)后級(jí)由于采用直耦電路，所以工作點(diǎn)會(huì)相互牽制，需反復(fù)調(diào)試幾次才能完成，IRF510工作電流約為20mA，上下兩管IRF150(配對(duì))工作電流約為1.5A，柵源電壓約為3.8V，反復(fù)調(diào)節(jié)這兩級(jí)偏壓電阻，使中點(diǎn)電壓為l8V。不同產(chǎn)地、不同批次管子會(huì)有所出入，數(shù)據(jù)僅作參考，最好使用示波器將其調(diào)節(jié)為A類最佳工作狀態(tài)。否則，由于管子的離散性，即使工作點(diǎn)按手冊(cè)或特性曲線給出的參數(shù)調(diào)節(jié)工作點(diǎn)，也未必工作在最佳的A類狀態(tài)。本機(jī)可代用的場(chǎng)效應(yīng)管較多，不同管子參數(shù)、特性及音色也有差異。表2列出幾種常用管子參數(shù)供參考。本機(jī)其他元器件

15、選用可參考有關(guān)資料，在此不再贅述。 表2 幾種常用場(chǎng)效應(yīng)管主要參數(shù) 型號(hào) 用途 類型 源漏耐壓/V 源漏電流/A 耗散功率/W 備注 BS170 低噪聲放大 N 60 0.3 0.63 2SK389 低噪聲差分放大 N 50 0.01 0.2 雙管封裝 IRF510 電壓放大 N 100 2.5 20 IRFDl13 低噪聲放大 N 60 0.8 1 2SK1058 高頻功率放大 N 160 7 100 互補(bǔ)2SJ162 2SK413 高頻功率放大 N 140 8 100 互補(bǔ)2SJ118 2SK405 高頻功率放大 N 160 8 100 互補(bǔ)2SJ115 IRF130 高頻功率放大 N 1

16、00 12 75 互補(bǔ)IRF9130 IRF540 高頻功率放大 N 100 28 150 互補(bǔ)IRF9540 IRF150 高頻功率放大 N 100 40 150 互補(bǔ)IRF9150 單端電路是耗電大戶，本機(jī)輸出管單管熱損耗約30W ，提高工作電壓還可增加輸出功率，但熱損耗也相應(yīng)增加。因此，必須將管子裝在一塊熱阻不大于1k/W的散熱器上，規(guī)格不小于200mm×200mm×6mm，將管子用硅脂涂抹后緊固在適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀?.參數(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)見表3。 表3 實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo) 輸入靈敏度 360mV 最大輸出功率 8W (8 ，THD+N=10，1kHz正弦波信號(hào)) 最大音樂輸出

17、功率 10W (8 ，THD +N<211，1kHz正弦波信號(hào)) 失真 3.8 (1W/8，1kHz) 信噪比 88dB (不計(jì)權(quán)) 頻響 18Hz165kHZ 4.測(cè)評(píng)試聽本機(jī)測(cè)評(píng)試聽搭配器材如下：(1)飛利浦(Philips)LHH500型頂級(jí)CD唱機(jī)；(2) 自制直熱管3A5前級(jí)；(3) 意大利傲霸卡絲音箱；(4) 美國(guó)音樂絲帶Super Flatine Cable音箱線；(5) 高度風(fēng)Ortofon AC-5000 8N無氧銅信號(hào)線；(6) 日立4N單品銅3×3.5mm 硅橡膠電源線；(7) GW TW-05D型音頻專用電源凈化器。 用正版雨果CD進(jìn)行試音時(shí)，聲場(chǎng)寬闊，

18、動(dòng)態(tài)特別好。音像定位、解析力佳，低頻結(jié)實(shí)，控制力好。音質(zhì)非常純凈，讓人過耳難忘!本文介紹一種工作穩(wěn)定，調(diào)試簡(jiǎn)便的單端純甲類功放電路，負(fù)載可以使用4-8歐姆，輸出功率可以根據(jù)自己的需要設(shè)定在20W-50W。一、單端放大電路工作原理圖如下圖所示：     由TR1、TR2組成的差分電路，為了工作穩(wěn)定，提高電路的共模抑制比，使用了恒流源電路。輸出的信號(hào)由Q3組成的單端放大輸出級(jí)，由恒流源I4作為Q3的直流負(fù)載。R1決定了放大器的輸入阻抗，R2、R3是負(fù)反饋回路，決定了放大器的閉環(huán)增益。 二、輸出功率、供電電壓、靜態(tài)電流的計(jì)算：   

19、; 以在4歐的負(fù)載上得到20W的輸出功率為例計(jì)算，其它的輸出功率和負(fù)載阻抗可以另外計(jì)算或者參照表1。    根據(jù)P=I*I*R，I*I=P/R=20/4=5，I=2.236A。其中I為輸出電流的有效值，所以輸出電流的最大值IM=1.414*I= 1.414*2.236=3.16A。實(shí)際制作中取3.2A，這個(gè)電流值就是整機(jī)的靜態(tài)電流，是圖一中的I4，由電路的恒流源提供。    本電路由于采用漏極輸出，末級(jí)有電壓增益，故電源電壓利用率較高，為了計(jì)算方便取0.8，則要求電源電壓為：VCC=（IM*R）/0.8=16V。