基于場效應(yīng)管的功率放大器設(shè)計

摘要：用場效應(yīng)晶體管設(shè)計出有膽味的音頻功率放大器。前級采用單管、甲類，后級采用甲乙類推挽放大技術(shù)。實驗證明差分放大器使用的對管的一致性與整機的失真程度密切相關(guān)。從聽音效果來看，末級電流200mA是理想值。

前后級間耦合電容對聽音影響較大，要求質(zhì)量高些。

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。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?？傮w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。

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，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。

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=0V，RG=100 kΩ，f=120 Hz測試條件下，噪聲系數(shù)的典型值是0.5 dB。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。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。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。Tn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。

該級放大器放大倍數(shù)依據(jù)公式Au=-gmRf3計算，式中g(shù)m——場效應(yīng)管的跨導。

2SK30AMT在VDs=10 V，VGS=0 V時的最小跨導gm=1.2ms。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C17，C18對音質(zhì)的好壞影響較大，選用進口名牌WIMA電容。

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。

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最。調(diào)節(jié)Rr4能調(diào)節(jié)這個電壓。