用分立元件設(shè)計(jì)制作功率放大器

一、功率放大器基本電路特點(diǎn)

互補(bǔ)對(duì)稱式OTL功率放大器基本電路如圖①所示。其中：C1為信號(hào)輸入偶合元件，須注意極性應(yīng)于實(shí)際電路中的電位狀況保持一致。R1和R2組成BG1的偏置電路，給BG1提供靜態(tài)工作點(diǎn)，同時(shí)也在整個(gè)電路中起到直流負(fù)反饋?zhàn)饔?。要求通過(guò)R1的電流大于BG1的基極電流至少5倍，按照β為100、Ic1為2mA計(jì)算，R1應(yīng)不大于6k，故給定為5.1k；C1因此也相應(yīng)給定為22μ，它對(duì)20Hz信號(hào)的阻抗為362Ω；R2需根據(jù)電源采用的具體電壓確定，約為R1（E/2-0.6）/0.6，按照32V電壓值應(yīng)取為約120K，確切值通過(guò)實(shí)際調(diào)試使BG1集電極電壓為15.4V來(lái)得到。

C2與R3構(gòu)成自舉電路，要求R3C2＞1/10、（R3＋R4）Ic1＝E/2－1.2，因R4是BG1的交流負(fù)載電阻，應(yīng)盡可能取大一點(diǎn)，R3一般取在1k之內(nèi)。按照32V電源電壓值和Ic1為2mA進(jìn)行計(jì)算，R3與R4之和為7.2k，實(shí)際將R3給為820Ω、R4給為6.8k，Ic1則為1.94mA；C2因此可取給為220μ。

R5和D是BG2、BG3互補(bǔ)管的偏置電路元件，給BG2、BG3共同提供一個(gè)適當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)，在能夠消除交越失真情況下盡量取小值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般取在3mA～4mA；改變R5阻值可使BG2與BG3的基極間電壓降改變而實(shí)現(xiàn)對(duì)其靜態(tài)工作的調(diào)整，與R5串聯(lián)的D是為了補(bǔ)償BG2、BG3發(fā)射結(jié)門坎電壓隨溫度發(fā)生的變化，最好采用兩只二極管串聯(lián)起來(lái)補(bǔ)償互補(bǔ)管發(fā)射結(jié)門坎電壓隨溫度發(fā)生的變化，使互補(bǔ)管靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定。簡(jiǎn)化電路中省略使用一只二極管。并聯(lián)在BG2、BG3基極間的C4，可使動(dòng)態(tài)工作時(shí)的ΔUAB減小，一般取為47μ；C3是防止BG1產(chǎn)生高頻自激的交流負(fù)反饋電容，一般取為47P～200P。

BG1起電壓放大作用，在該電路中被稱為激勵(lì)級(jí)，要求Buceo＞E、Iceo≤Ic1/400＝5μA、β＝100～200，所以應(yīng)選用小功率低噪聲三極管。BG2和BG3是互補(bǔ)電流放大極，分別與BG4、BG5構(gòu)成復(fù)合管對(duì)輸出電流進(jìn)行放大，要求Buceo＞E、Iceo≤Ic2/100＝30μA、β＝100～200。在BG4、BG5使用普通大功率三級(jí)管而不是內(nèi)部已經(jīng)做成復(fù)合式大功率三級(jí)管的情況下，BG2與BG3需要提供給后級(jí)大功率三級(jí)管超過(guò)100mA的峰值驅(qū)動(dòng)電流，因此應(yīng)使用中功率三級(jí)管。BG4和BG5是負(fù)責(zé)放大輸出電流的大功率管，靜態(tài)工作電流可取在10mA～30mA，要求Buceo＞E、Iceo≤Ic4/100＝0.1mA、β＝50～100。BG4和BG5的最大極限電流Imax應(yīng)該比輸出電流最大幅值大1倍，方能保證輸出電流最大幅值時(shí)β＞10。

R6和R7分別是BG4和BG5靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整分流電阻，動(dòng)態(tài)工作時(shí)的分流作用可以忽略不計(jì)。在Ube4和Ube5都等于0.6V標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)時(shí)，由互補(bǔ)電流放大級(jí)的靜態(tài)工作電流取在3mA～4mA，可計(jì)算出R6和R7應(yīng)取為220Ω。實(shí)際上，大功率三級(jí)管Ube可能相差較大，BG4和BG5的Ube需通過(guò)實(shí)測(cè)進(jìn)行配對(duì)使用，借助自舉電路工作的半邊復(fù)合管的總電流放大率應(yīng)應(yīng)比不借助自舉電路工作的另半邊復(fù)合管要小。

R8和R9分別是防止BG4和BG過(guò)流的限流電阻，一般取在0.2Ω～0.5Ω之間。將用200mm長(zhǎng)、直徑為φ0.08的漆包線兩端分別焊接在1k以上電阻兩端，把對(duì)折起來(lái)的漆包線繞在電阻上即可。相當(dāng)于熔斷保險(xiǎn)管的作用，屬于最簡(jiǎn)單的非智能式限流燒斷保護(hù)方式。

C5和C6是信號(hào)輸出電容，用一只小容量電容與大容量電容并聯(lián)起來(lái)使用，可消除大容量電容內(nèi)部具有的較大電感對(duì)高頻率信號(hào)的阻礙。注意它實(shí)際上是起到中點(diǎn)浮動(dòng)電源作用，所以電容量不是按照對(duì)通拼帶下端交流信號(hào)的阻抗應(yīng)為多大來(lái)計(jì)算，而是按照輸出功率需要消耗多少能量進(jìn)行計(jì)算。在中點(diǎn)浮動(dòng)電源電壓隨著輸出電流進(jìn)行波動(dòng)而導(dǎo)致輸出信號(hào)截波時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重削波失真。根據(jù)電容儲(chǔ)存的能量與電壓平方成正比關(guān)系，中點(diǎn)浮動(dòng)電源的輸出電容，容量應(yīng)是總電源上儲(chǔ)能電容量的4倍。

C9和R10是交流負(fù)反饋網(wǎng)路，與R2、R1共同構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反愧。R2與R1構(gòu)成的直流負(fù)反愧可使總的電壓放大倍率約等于R2除以1.2k（等于R1與BG1的發(fā)射結(jié)動(dòng)態(tài)電阻并聯(lián)），按照?qǐng)D①設(shè)計(jì)參數(shù)約為100倍，加入C9和R10的交流負(fù)反饋網(wǎng)路后，總的電壓放大倍率約等于R2與R10的并聯(lián)電阻除以1.2k，約為18倍。實(shí)踐證明，采用這種方式工作的電壓并聯(lián)負(fù)反愧表現(xiàn)效果很不良好。

二、對(duì)功率放大器基本電路的改進(jìn)

在圖①所示的互補(bǔ)對(duì)稱式OTL功率放大器基本電路中，信號(hào)輸入激勵(lì)級(jí)的內(nèi)阻只有1k，需要做阻抗變換才能與大部份中、高阻信號(hào)源匹配。將信號(hào)輸入激勵(lì)級(jí)直接改成復(fù)合管是最簡(jiǎn)單的方式，復(fù)合管的接法有多種具體電路，最佳方案是采用圖②所示的接法。新增加的前置級(jí)實(shí)際上相當(dāng)于簡(jiǎn)單的電壓控制電流型運(yùn)算放大器，BG0的基極與發(fā)射極相當(dāng)于運(yùn)算放大器的正輸入端和負(fù)輸入端，正輸入端的動(dòng)態(tài)電阻已經(jīng)提高到10K以上。同時(shí)，從功率放大器輸出端接到負(fù)輸入端發(fā)射極負(fù)反饋電阻R10和取樣電阻R11之比決定著總的電壓放大倍率。

電路調(diào)試要點(diǎn)也是先將R5調(diào)節(jié)成短路0電阻狀況使BG2～BG5處于截止?fàn)顟B(tài)，用兩只1K/2W電阻分別從總電源兩端接到輸出端獲得中點(diǎn)電壓。用一只200K電位器代替R1或R2接在電路板上，用導(dǎo)線將C1輸入電容信號(hào)輸入端與地短路。接通電源，測(cè)量BG1的集電極到發(fā)射極的電壓降Uce，調(diào)節(jié)200K電位器使Uce等于E/2-0.6；在總電源電壓為32V時(shí)，BG1的靜態(tài)Uce應(yīng)等于15.4V0.1V。然后測(cè)量200K電位器實(shí)際所處的電阻值，換成同阻值固定電阻替換電位器，再測(cè)量BG1靜態(tài)Uce應(yīng)該在15.4V0.2V之內(nèi)。確定好BG1的靜態(tài)Uce后，再?gòu)男〉酱笳{(diào)節(jié)R5使BG4和BG5的靜態(tài)工作電流為15mA。為保險(xiǎn)起見，可將R8與R9換接成100Ω/2W電阻，先測(cè)量R8與R9上的靜態(tài)電壓降應(yīng)為1.5V。斷開電源，測(cè)量R5可調(diào)電阻實(shí)際所處的電阻值，將R5換成相同阻值的固定電阻，拆掉先前從輸出端分別連接到電源兩端的1k/2W分壓電阻。再接通電源，測(cè)量R8與R9上的靜態(tài)電壓降應(yīng)保持在1.2V～1.8V之間。測(cè)量輸出中點(diǎn)電平也應(yīng)為16V0.5V之間。把C1輸入電容信號(hào)輸入端與地?cái)嚅_懸空，測(cè)量R8與R9的電壓降，用起子碰到C1輸入端時(shí)R8與R9上的電壓降明顯變大。然后把R8與R9換成0.3Ω電阻，接上喇叭試聽。接通電源時(shí)因C0充電，輸出端中點(diǎn)電壓需要從零緩慢上升，因而只產(chǎn)生輕微沖擊聲。2秒鐘后，用手碰C1輸入端時(shí)喇叭將發(fā)出“嗚”的交流聲。將C1輸入端與地（電源負(fù)端）短路，喇叭應(yīng)不發(fā)出聲音，實(shí)際會(huì)發(fā)出輕微背景白噪聲或很小聲的交流哼聲。圖②所示的互補(bǔ)對(duì)稱式OTL功率放大器改進(jìn)電路，有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是信號(hào)輸入端直流電平比輸出端中點(diǎn)電壓要低2V～3V，在大眾還沒(méi)有運(yùn)放IC使用和三極管元件價(jià)格高的20世紀(jì)80年代初，它已經(jīng)是很良好的可使用單電源的功率放大器實(shí)用電路。20世紀(jì)80年代中期，運(yùn)放IC開始推出，人們開始采用運(yùn)放IC來(lái)?yè)?dān)任前置極和激勵(lì)極。典型電路如圖③所示，因運(yùn)放IC不需調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，只要調(diào)節(jié)R5使BG2～BG5的靜態(tài)工作電流10mA～20mA即可。注意，雖然運(yùn)放IC不需調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，但在BG2～BG5處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，由R8、R9和BG3、BG5發(fā)射結(jié)正向?qū)▽⑦\(yùn)放IC負(fù)輸入端置為高電平，運(yùn)放IC輸出低電平，于是通過(guò)BG3發(fā)射結(jié)把運(yùn)放IC負(fù)輸入端置為低電平，運(yùn)放IC輸出端翻轉(zhuǎn)成高電平，結(jié)果處于輸出不定的低頻率振蕩狀態(tài)，不能提供穩(wěn)定的參考中點(diǎn)電平。在這種狀況下調(diào)整BG2～BG5的靜態(tài)工作電流，運(yùn)放IC輸出端為高電平時(shí)調(diào)節(jié)R5無(wú)效；而運(yùn)放IC輸出端為0電平時(shí)BG5不能導(dǎo)通，調(diào)節(jié)R5只能使BG2、BG3、BG4進(jìn)入工作區(qū)，BG2實(shí)際只起到二極管的作用，經(jīng)BG4和BG2的電流直全部灌入運(yùn)放IC輸出端，結(jié)果使BG2和運(yùn)放IC因過(guò)流而損壞?。ㄎ以?jīng)把當(dāng)時(shí)手頭所擁有的幾只國(guó)產(chǎn)運(yùn)放IC和十幾只中功率三級(jí)管全部損壞，也未能將靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整出來(lái)。）必須先用導(dǎo)線將運(yùn)放IC的負(fù)輸入端與輸出端連通，暫不接上負(fù)反饋電阻R6，讓運(yùn)放IC以跟隨器方式輸出穩(wěn)定的參考中點(diǎn)電平，在此狀態(tài)下調(diào)節(jié)R5使BG2～BG5的靜態(tài)工作電流為15mA，將R5換成相同阻值的固定電阻后確認(rèn)BG2～BG5的靜態(tài)工作電流在10mA～20mA之間，再將運(yùn)放IC的負(fù)輸入端與輸出端端開，把反饋電阻R6接入電路中。

使用運(yùn)放IC擔(dān)任前置極和激勵(lì)極后，最好將BG2～BG5的靜態(tài)工作電流偏置方式改成由三極管與分壓電阻構(gòu)成的穩(wěn)壓器，這樣可以在電源電壓發(fā)生較大變化下保持幾乎相同的靜態(tài)工作電流。圖④即是經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的電路，BG1發(fā)射結(jié)門坎電壓與BG2、BG3、BG4的門坎電壓一同隨溫度變化，本身可起到溫度補(bǔ)償作用。為了減少運(yùn)放IC輸出端的靜態(tài)工作電流，在運(yùn)放IC輸出端贈(zèng)加了到地端的分流電阻R10。有了該分流電阻后，調(diào)整BG2～BG5的靜態(tài)工作電流時(shí)可以先不接入運(yùn)放IC，直接由其中的R7、R8和R10分壓出近似的中點(diǎn)參考電平。先從0到大調(diào)節(jié)R5使BG2～BG5的靜態(tài)工作電流在10mA～20mA之間，再接入運(yùn)放IC，電路即能正常工作。另外，在運(yùn)放IC輸出端串聯(lián)一只1k限流電阻R15，可保證運(yùn)放IC輸出端處于0電平時(shí)BG5也不會(huì)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

使用運(yùn)放IC擔(dān)任前置極和激勵(lì)極，最大的優(yōu)點(diǎn)是輸出端直流電平與信號(hào)輸入端直流電平嚴(yán)格一致，相差不大于0.05V。這樣就可以制作出由兩個(gè)OTL功率放大器構(gòu)成的反向輸出的BTL功率放大器，而在輸出端直流電平與信號(hào)輸入端直流電平相差懸殊情況下，兩個(gè)OTL功率放大器的正、反相輸出端直流電平往往會(huì)相差超過(guò)0.5V，明顯影響喇叭的工作平衡位置。BTL功率放大器的正、反相輸出端直流電平直流電平相差必須小于0.1V，喇叭的工作平衡位置才不會(huì)發(fā)生明顯偏離自由平衡位置。喇叭的工作平衡位置明顯偏離自由平衡位置時(shí)，正反方向的機(jī)械振動(dòng)幅度不對(duì)稱，發(fā)出的聲波將產(chǎn)生畸變不自然。另外，輸出端直流電平與信號(hào)輸入端直流電平嚴(yán)格一致，才使得使用正、負(fù)雙電源供電的OCL功率放大器成為現(xiàn)實(shí)。否則，因輸出端直流電平與電源中點(diǎn)電平相差較大，將導(dǎo)致喇叭不能良好的正常工作。

由于大部分運(yùn)放IC的工作電壓都不高，性能良好的高電壓運(yùn)放IC品種少、價(jià)格高，人們也可以采用與運(yùn)放IC前置級(jí)相同的差動(dòng)放大電路來(lái)達(dá)到同樣目的。圖⑤即是采用差動(dòng)放大方式做前置極的典型電路，它比圖①所示的互補(bǔ)對(duì)稱式OTL功率放大器基本電路多用2只要求特性一致的三極管，比圖②所示的改進(jìn)型互補(bǔ)對(duì)稱式OTL功率放大器實(shí)用電路多用1只三極管。說(shuō)倒底，并不是人們不知道怎么設(shè)計(jì)功率放大器，而是受到器件選擇上的限制，在不同歷史時(shí)期只能使用相應(yīng)的設(shè)計(jì)電路。在20世紀(jì)80年代后期，人們才開始比較容易找到特性一致的三極管進(jìn)行配對(duì)使用。因差動(dòng)放大極的靜態(tài)電流可由電路設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)確給定，不用調(diào)節(jié)差動(dòng)放大管的靜態(tài)電流。在圖⑤電路使用32V電源的情況下，前置差動(dòng)放大管的靜態(tài)電流為0.51mA～0.52mA，只要先調(diào)節(jié)R12使BG1的集電極到地端的電壓降為15.4V，再調(diào)節(jié)R5使BG2～BG5的靜態(tài)工作電流在10mA～20mA之間即可。

在調(diào)整BG1的靜態(tài)電流時(shí)，同樣先要將R5調(diào)節(jié)成短路0電阻狀況使BG2～BG5處于截止?fàn)顟B(tài)，暫不接入負(fù)反饋電阻R10，用導(dǎo)線將BG6、BG0的基極短路。接通電源，先調(diào)節(jié)R12使BG1集電極到地端的電壓降為15.4V0.2V，再調(diào)節(jié)R5使BG2～BG5的靜態(tài)工作電流為15mA。為保險(xiǎn)起見，先將R8與R9換接成100Ω/2W電阻，測(cè)量R8與R9上的靜態(tài)電壓降應(yīng)為1.5V。斷開電源，測(cè)量R5與R12可調(diào)電阻實(shí)際所處的電阻值，將它們換成相同阻值的固定電阻。接通電源，測(cè)量R8與R9上的靜態(tài)電壓降應(yīng)保持在1.2V～1.8V之間。測(cè)量輸出中點(diǎn)電平應(yīng)在16V0.3V之間。斷開電源，將BG6、BG0的基極間連接導(dǎo)線取掉，把負(fù)反饋電阻R10接入電路。再接通電源，測(cè)量R8與R9上的靜態(tài)電壓降應(yīng)保持在1.2V～1.8V之間。測(cè)量輸出中點(diǎn)電平應(yīng)在16V0.2V之間，差分管電流放大倍率越大，輸出端直流電平與信號(hào)輸入端直流電平相差越小。用起子碰C1輸入端時(shí)R8與R9上的電壓降明顯變大。然后把R8與R9換成0.3Ω電阻，接上喇叭試聽。接通電源時(shí)輸出端中點(diǎn)電壓需要從零緩慢上升，因而只產(chǎn)生輕微沖擊聲。2秒鐘后，用手碰C1輸入端喇叭將發(fā)出“嗚”的交流聲。將C1輸入端與地（電源負(fù)端）短路，喇叭應(yīng)不發(fā)出聲音，實(shí)際會(huì)發(fā)出輕微背景白噪聲或很小聲的交流哼聲。

三、對(duì)功率放大器實(shí)用電路的完善

采用自舉電路設(shè)計(jì)的功率放大器雖然電路相對(duì)較為簡(jiǎn)單，但卻存在下限工作頻率截止點(diǎn)。而引入自舉電路是為了避免對(duì)上半波進(jìn)行放大時(shí)沒(méi)有足夠電流提供給互補(bǔ)管使用，在不缺三極管使用的情況下，可以采用恒流源來(lái)保證對(duì)上半波進(jìn)行放大時(shí)也有足夠的電流提供給互補(bǔ)管使用。與此同時(shí)，將差動(dòng)放大器也設(shè)計(jì)成由恒流源提供工作電流，可以大大提高對(duì)共態(tài)噪聲的抑制比和放寬對(duì)電源電壓的準(zhǔn)確要求。圖⑥是使用恒流源的功率放大器典型電路，其中：BG3與BG4構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)恒流源，前者給前置差動(dòng)放大極提供1mA恒定總電流，2只差分管BG1、BG2各得到0.5mA的靜態(tài)工作電流；后者提供2mA恒定電流，與激勵(lì)極BG5的靜態(tài)工作電流2mA相等，從而使放大器輸出端Q的靜態(tài)中點(diǎn)電壓完全由阻值相同的R13與R14分壓確定出來(lái)，不會(huì)過(guò)大偏離E/2。串聯(lián)在下方R14上的D1是為了補(bǔ)償上方復(fù)合管的門坎壓降比下方單一的互補(bǔ)管門坎壓降多一個(gè)PN結(jié)壓降，確保由阻值相同的R13與R14分壓確定出來(lái)的中點(diǎn)電壓更準(zhǔn)確。激勵(lì)極BG5的靜態(tài)工作電流已經(jīng)由R4上的1V壓降和R12阻值200Ω確定為2mA，也不用調(diào)節(jié)。所以，在調(diào)節(jié)BG7～BG10的靜態(tài)工作電流時(shí)先不接入BG4和BG5，直接在R13與R14分壓出中點(diǎn)參考電壓并提供有0.4mA～1.1mA的偏置電流給BG6工作狀況下，由最小零電阻起始調(diào)節(jié)R10使BG7～BG10的靜態(tài)工作電流為15 mA即可。然后把R10換成固定電阻，將BG4和BG5接入電路板，放大器即刻正常工作。雖然元件參數(shù)存在離散性，可能使BG5激勵(lì)極的實(shí)際靜態(tài)工作電流與BG4恒流源電流有少量相差，差動(dòng)放大極也會(huì)根據(jù)輸出端Q的靜態(tài)電壓偏離中點(diǎn)狀況自動(dòng)改變BG1的實(shí)際靜態(tài)工作電流，使BG5的實(shí)際靜態(tài)工作電流與BG4恒流源電流完全相等。當(dāng)然，對(duì)BG5實(shí)際靜態(tài)工作電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)后，差動(dòng)放大極的靜態(tài)工作電流不允許其中任何一個(gè)明顯減少太多。按照?qǐng)D⑥中的元件參數(shù)，只要變化0.1mA就可以讓BG5的靜態(tài)工作電流變化1mA，足以實(shí)現(xiàn)對(duì)BG5的靜態(tài)工作電流調(diào)整。

然而，由于恒流源限制了激勵(lì)極處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)所能提供的最大電流，提高電源電壓后并不能相應(yīng)的提高輸出幅值。雖然相應(yīng)增加恒流源電流可以提高輸出幅值，但卻使激勵(lì)極靜態(tài)工作電流也相應(yīng)增大，穩(wěn)定性變差。較好的辦法是引入鏡像電路，采用上下對(duì)稱的差動(dòng)電流放大方式驅(qū)動(dòng)后面的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大管工作。圖⑦即是采用上下對(duì)稱差動(dòng)電流放大方式作激勵(lì)極的功率放大器實(shí)用電路，因輸出功率較大，為避免過(guò)載損壞器件，電路中加進(jìn)了限制最大輸出電流的保護(hù)功能。其中，BG4和BG5構(gòu)成的鏡像電路，可使BG5的工作電流Ic5與BG4的工作電流Ic4保持完全相等，進(jìn)而對(duì)驅(qū)動(dòng)BG6。實(shí)現(xiàn)由BG6、BG7構(gòu)成上下對(duì)稱的差動(dòng)電流放大方式。這樣，即可保證在上半波信號(hào)需要激勵(lì)極提供更大驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，BG6也同步能輸出更大的驅(qū)動(dòng)電流給后極功率放大管。要達(dá)到同樣目的，人們也可以采取再并聯(lián)一對(duì)互補(bǔ)對(duì)稱的前置差動(dòng)放大器，由它實(shí)現(xiàn)對(duì)BG6的驅(qū)動(dòng)。但由于鏡像電路對(duì)元件的要求沒(méi)有前置差動(dòng)放大器高，采用兩對(duì)前置差動(dòng)放大器并不能對(duì)整個(gè)電路提高任何性能，大可不必使用那種多花代價(jià)的笨辦法。該電路的調(diào)整方式與圖⑥所示的使用恒流源的功率放大器電路完全相同。

從工作原理上考慮，采用上下對(duì)稱差動(dòng)電流放大方式作激勵(lì)極的電路已無(wú)缺陷。但由于大功率三極管的特性并不理想，在輸出電流達(dá)到1A以上時(shí)，電流放大倍率只有10～25，將使得驅(qū)動(dòng)大功率三極管工作的互補(bǔ)管必須提供超過(guò)200mA以上電流給后極?；パa(bǔ)管本身的功耗經(jīng)常超過(guò)2W，發(fā)熱嚴(yán)重，互補(bǔ)管也需要另外裝散熱器。在電子元件廠家已經(jīng)研制生產(chǎn)出大功率達(dá)林頓管的情況下，改用內(nèi)部已做成復(fù)合管的達(dá)林頓管作最后級(jí)電流放大管，可以大大減輕對(duì)互補(bǔ)管的輸出驅(qū)動(dòng)電流要求。如SGS公司生產(chǎn)的TIP系列大功率達(dá)林頓管，在輸出電流達(dá)到2A以上時(shí)，電流放大倍率也能達(dá)到500以上，從而只需要互補(bǔ)管提供20mA以下驅(qū)動(dòng)電流給后極工作，互補(bǔ)管本身的功耗降低到0.2W以下。需要修改的設(shè)計(jì)參數(shù)只是根據(jù)達(dá)林頓管的門坎電壓等于普通三極管門坎電壓的2倍，把提供靜態(tài)工作電流的偏置分流電阻R18、R19增加一倍阻值，以便保持互補(bǔ)管的靜態(tài)工作電流不改變。同時(shí)互補(bǔ)管BG9、BG10基級(jí)間的電壓降比先前增加一只普通三極管的門坎電壓，它對(duì)電路靜態(tài)工作電流的調(diào)整方式毫無(wú)影響。

由于達(dá)林頓管不是專為音頻功率放大器研制的器件，工作頻率上限并不很高。普通大功率三極管的頻率上限只達(dá)到1MHz，專為音頻功率放大器研制的大功率三極管也只能達(dá)到10MHz，最好的不超過(guò)100MHz。雖然音頻范圍只有10Hz～20kHz，可是三極管的電流放大倍率與工作頻率相關(guān)，處于工作頻率上限時(shí)，電流放大倍率會(huì)下降到1倍。這使得工作頻率上限低的三極管對(duì)20kHz高音的放大能力比2kHz中音的放大能力要低，也就導(dǎo)致開環(huán)狀態(tài)下高音與中音的電流放大倍率已經(jīng)不保持相同。而閉環(huán)負(fù)反饋對(duì)整個(gè)音頻保持相同的取樣倍率，并不改變混合信號(hào)里高音電流放大倍率比中音電流放大倍率低的狀況，從而使混合信號(hào)里的高音實(shí)際比中音的放大倍率要低。所以，使用工作頻率上限高的大功率三極管，可使混合信號(hào)里高音電流放大倍率比中音電流放大倍率下降得要少。如果使用頻率上限只達(dá)到1MHz的大功率三極管制作音頻功率放大器，將感到8kHz以上的高音成分嚴(yán)重不足。故此，國(guó)外的電子元件制造廠已經(jīng)在20世紀(jì)90年代研制出性能超群的音頻功率放大器專用大功率三極管。日本三肯公司制造的三肯管是最早出名的音頻功率放大器專用大功率三極管，但它們都不是達(dá)林頓管，需要性能同樣超群的中功率來(lái)做驅(qū)動(dòng)前極，而且要給驅(qū)動(dòng)前極中功率安裝散熱器。

到20世紀(jì)80年代后期，人們研制出性能更高的大功率場(chǎng)效應(yīng)管。任何大功率場(chǎng)效應(yīng)管的工作頻率上限也能達(dá)到100MHz，但因起初缺少高工作電壓的大功率場(chǎng)效應(yīng)管，生產(chǎn)廠家制作輸出功率超過(guò)40W的功率放大器還是以選用大功率三極管。實(shí)際上，使用大功率場(chǎng)效應(yīng)管制作功率放大器比使用大功率三極管制作功率放大器更方便。但需要特別注意一點(diǎn)，雖然效應(yīng)管是電壓控制型器件，但大功率場(chǎng)效應(yīng)管的輸入柵極與源極之間存在較大的結(jié)電容，可達(dá)到800P左右，因此在工作頻率較高的狀況下同樣要提供5mA～10mA充放電驅(qū)動(dòng)電流。竄聯(lián)在柵極前的電阻會(huì)影響對(duì)輸入結(jié)電容的充放電，阻值盡量取小。圖⑨即是采用大功率場(chǎng)效應(yīng)管的實(shí)用功率放大器電路，由于某些大功率場(chǎng)效應(yīng)管柵極沒(méi)有內(nèi)置限壓保護(hù)穩(wěn)壓管，特地在電路中加入了限壓保護(hù)穩(wěn)壓管。使用沒(méi)有內(nèi)置限壓保護(hù)穩(wěn)壓管的大功率場(chǎng)效應(yīng)管，焊接時(shí)必須先用導(dǎo)線將柵極與源極短路，焊接好大功率場(chǎng)效應(yīng)管和限壓保護(hù)穩(wěn)壓管后才能將柵極與源極間的短路導(dǎo)線去除。采用大功率場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)的功率放大器，調(diào)試方式與采用大功率三極管設(shè)計(jì)的功率放大器完全相同。

需要注意的是，大功率場(chǎng)效應(yīng)管的門坎電壓在2V～3V之間，（三星公司生產(chǎn)的大功率場(chǎng)效應(yīng)管門坎電壓多為2V），大功率場(chǎng)效應(yīng)管的實(shí)際工作電壓不要超過(guò)最大允許電壓的一半值，最大工作電流峰值不要超過(guò)允許電流的2/3方能確保安全可靠工作。這個(gè)要求已經(jīng)比對(duì)三機(jī)管的要求寬很多，三機(jī)管的實(shí)際工作電壓也不能超過(guò)最大允許電壓的一半值，而三機(jī)管的最大工作電流峰值不能超過(guò)最大允許電流的1/3方能正常工作。大功率場(chǎng)效應(yīng)管還有一個(gè)極大的優(yōu)點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性能十分良好，從25℃～125℃，工作特性幾乎完全相同。所以使用大功率場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，散熱器上的溫度也可以相應(yīng)允許高到90℃，而三極管還存在二此擊穿的可能，實(shí)際允許工作的溫度應(yīng)限制在70℃以下。

四、使用多組電源供電高效功率放大器

沒(méi)有把輸出端中點(diǎn)電壓嚴(yán)格控制在要求理想數(shù)值狀況下，功率放大器只能使用單電源供電，中點(diǎn)電源采用自動(dòng)跟隨的浮動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)。只要給足夠大容量的儲(chǔ)能電容，實(shí)際輸出能力與使用雙電源的OCL輸出方式并無(wú)區(qū)別。之所以要采用OCL輸出方式，除了面可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)出性能更好功率放大器外，更大的實(shí)際意義是使用正負(fù)雙電源供電的OCL輸出方式可以進(jìn)一步降低電路背景噪聲。在功率放大器前置信號(hào)輸入級(jí)采用差動(dòng)放大電路后，輸出端直流電平已經(jīng)能與信號(hào)輸入端直流電平保持基本相等，相差小于0.2V。在這種狀況下，將信號(hào)輸入端直流電平偏置電阻連接到正負(fù)雙電源中點(diǎn)電位上，就可以把單電源供電的OTL輸出方式改成使用正負(fù)雙電源供電的OCL輸出方式，不再使用自動(dòng)跟隨的浮動(dòng)中點(diǎn)電源。其實(shí)，使用運(yùn)放IC做前置信號(hào)輸入級(jí)能使輸出端的直流電平與信號(hào)輸入端直流電平保持幾乎相等，相差小于0.02V，正是因?yàn)檫\(yùn)放IC內(nèi)部也采用差動(dòng)放大電路做輸入級(jí)，而且一般都采用復(fù)合管方式的差動(dòng)放大電路做輸入級(jí)，從而使流進(jìn)或流出IC正、負(fù)輸入端的靜態(tài)電流低于0.1μA，在負(fù)反饋電阻上的靜態(tài)直流壓降已低于0.01V。若能找到特性非常一直的配對(duì)管，當(dāng)然也可以采用復(fù)合管方式的差動(dòng)放大電路做輸入級(jí)，使輸出端的直流電平與信號(hào)輸入端直流電平保持幾乎相等，相差小于0.02V，特性極其一致的配對(duì)管需要在一片半導(dǎo)體材料上做成，這正是運(yùn)放IC的制作工藝優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)言之，僅僅把OTL輸出方式改成OCL輸出方式，在電路設(shè)計(jì)上沒(méi)有任何提高。實(shí)際上，以甲乙類工作方式制作的互補(bǔ)對(duì)稱式功率放大器存在一個(gè)缺陷，就是最后級(jí)大功率電流放大管的靜態(tài)處于接近截止區(qū)位置，無(wú)論使用大功率三級(jí)管，還是使用大功率場(chǎng)效應(yīng)管，在截止區(qū)附近的動(dòng)態(tài)電阻都明顯比線性區(qū)的動(dòng)態(tài)電阻要大得很多，實(shí)際可以相差數(shù)倍到10多倍。靜態(tài)電流越小，動(dòng)態(tài)電阻越大。當(dāng)放大器輸出電壓歸零時(shí)，喇叭振動(dòng)盆還會(huì)繼續(xù)作阻尼振動(dòng)到停止。音圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流將阻礙喇叭振動(dòng)盆自由振動(dòng)，如果與音圈串聯(lián)的放大器內(nèi)阻比較大，就會(huì)使音圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流減少，降低電阻尼作用，振動(dòng)盆的阻尼振動(dòng)就不容易停止下來(lái)，發(fā)出的聲音出現(xiàn)“拖泥帶水”的發(fā)散收不住狀況。與此同時(shí)，中低音單元喇叭的音圈在磁場(chǎng)中移動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流不能被功率放大器盡可能短路掉，會(huì)成為妨礙中高音單元喇叭工作的干擾驅(qū)動(dòng)信號(hào)。甲類放大器之所以有較好的重放音質(zhì)，奧妙就在于它具有很低的靜態(tài)輸出阻抗。但由于甲類放大器功耗大、發(fā)熱嚴(yán)重，不宜在大工作電壓下采用。為此，可以在使用高低兩組正負(fù)電源供電的方式下對(duì)最后級(jí)大功率電流放大管的工作狀態(tài)實(shí)施動(dòng)態(tài)偏置，使放大器輸出電壓幅度小于4V時(shí)大功率電流放大管工作于甲類狀況，輸出幅度大于4V時(shí)變換為乙類狀況。由于輪流處于工作中的大功率電流放大管始終是在大電流狀態(tài)下工作，實(shí)際效果與純甲類工作方式相同。

圖⑩即是采用大功率達(dá)林頓管設(shè)計(jì)的高效率動(dòng)態(tài)偏置甲類功率放大器典型電路，為了較好的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏置，T1、T2上下兩只大功率達(dá)林頓管采用互補(bǔ)管，以便增加偏置電路上的門坎電壓。要求兩只互補(bǔ)管特性參數(shù)完全相同，實(shí)際電流放大倍率相差不要超過(guò)20%。因動(dòng)態(tài)偏置是在每一個(gè)半波輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)4V參考值進(jìn)行變換，要求動(dòng)態(tài)偏置變換速度必須比輸出信號(hào)上限20KHz頻率至少高100倍，光電隔離變換器件的響應(yīng)頻率至少應(yīng)達(dá)到1MHz，所使用的二極管也必須采用高速管。當(dāng)輸出信號(hào)電壓處于4V以內(nèi)時(shí)，光電輸出端三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，兩只互補(bǔ)大功率電流放大管被偏置在1A靜態(tài)電流下工作，而當(dāng)輸出信號(hào)電壓超過(guò)4V時(shí)，光電輸出端三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，兩只互補(bǔ)大功率電流放大管被偏置在10mA靜態(tài)電流下工作。但由于輸出信號(hào)電壓超過(guò)4V時(shí)，大功率電流放大管的工作電流必須超過(guò)0.5A，4Ω負(fù)載時(shí)必須超過(guò)1A，實(shí)際也等同于甲類工作方式。與此同時(shí)，在輸出信號(hào)電壓處于6V以內(nèi)時(shí)，BG11、BG12處于截止?fàn)顟B(tài)，T3、T4達(dá)林頓開關(guān)管也截止，T1、T2兩只互補(bǔ)大功率電流放大管是由8V低壓電源供電。而在輸出信號(hào)電壓超過(guò)6V時(shí)，BG11、BG12處于導(dǎo)通狀態(tài)，T3、T4達(dá)林頓開關(guān)管也導(dǎo)通，T1、T2兩只互補(bǔ)大功率電流放大管改由30V高壓電源供電，從而使大功率電流放大管的功耗降低。

在N道溝和P道溝高壓大功率場(chǎng)效應(yīng)管都很容易購(gòu)買到的情況下，可改用大功率場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)制作高效率動(dòng)態(tài)偏置甲類功率放大器。同樣，T1、T2上下兩只大功率場(chǎng)效應(yīng)管要采用互補(bǔ)管，要求兩只互補(bǔ)管特性參數(shù)相同，實(shí)際的電流放大倍率相差不要超過(guò)20%。由于使用動(dòng)態(tài)偏置工作方式，偏置電路的參數(shù)調(diào)整稍微復(fù)雜一些。具體方式與前面介紹的方法相同，先把T1、T2由R11、R12串聯(lián)確定出的1A靜態(tài)電流調(diào)節(jié)出來(lái)，再適當(dāng)分配二者的實(shí)際阻值，使R12處于短路時(shí)T1、T2的靜態(tài)電流為2mA～10mA。即不要完全截止，也沒(méi)必要調(diào)大。

鑒于動(dòng)態(tài)偏置甲類功率放大器的最主要目的是要降低放大器本身的輸出內(nèi)阻，在上下大功率電流放大管中不宜串聯(lián)限流保護(hù)電阻，對(duì)放大器最大輸出電流的限制特改設(shè)計(jì)在電源部分電路之中。這樣，與動(dòng)態(tài)偏置甲類功率放大器匹配使用的高低兩組正負(fù)電源也同時(shí)都設(shè)計(jì)成穩(wěn)壓電源。參見圖12，使用大功率場(chǎng)效應(yīng)管制作供功率放大器使用的穩(wěn)壓電源非常簡(jiǎn)單，功率放大器對(duì)電源電壓的準(zhǔn)確值要求不高，使用大功率場(chǎng)效應(yīng)管制作的簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電源完全能達(dá)到要求，同時(shí)還可以獲得很好的電子濾波效果，可大大降低從電源帶進(jìn)來(lái)的雜波噪聲。

必須明白，每一只大功率器件都受到最大功耗的使用限制，尤其在溫度明顯升高的狀況下，最大允許功耗將大大降低。把功率放大器的電源設(shè)計(jì)成穩(wěn)壓電源，除了能使功率放大器電路處于穩(wěn)定狀況下工作外，由穩(wěn)壓電源調(diào)整管分擔(dān)掉一部分功耗，可減輕由功率放大管承擔(dān)的無(wú)用功耗，使功率放大器發(fā)揮出最大工作能力。在缺少大功率器件的時(shí)代，只能使用簡(jiǎn)單的整流電源，結(jié)果使放大器實(shí)際能夠輸出的功率比理論計(jì)算值小得很多，原因就是功率放大管的最大允許功耗已經(jīng)被無(wú)用功耗占去太多。

五、結(jié)束語(yǔ)

如果僅從對(duì)功率放大器性能的完美追求上去考慮，我們還可以把許多只功率放大管并聯(lián)起來(lái)工作獲得更高的性能。然而這乃是在用高投入成本來(lái)獲得實(shí)際效果增加不多的笨蛋干法。事實(shí)上，當(dāng)人們把功率放大器的輸出功率制做得很巨大時(shí)，它也成為中高音單元喇叭的致命殺手！而且使用級(jí)后分頻方式，在使用到高中低三個(gè)單元喇叭的情況下就開始明顯表現(xiàn)不佳，級(jí)后分頻方式僅能在二分頻情況下表現(xiàn)得比較良好。只有改為采用級(jí)前分頻方式來(lái)設(shè)計(jì)制作音頻功率放大器，我們才能從根本上克服級(jí)后分頻的缺點(diǎn)，并根據(jù)不同工作頻帶范圍要求選用適合的器件，以最少的制造成本獲得最高的效果。