免调试场效应管单端甲类平衡桥式功率放大器

2018-01-03邱立华广州工商学院电子信息工程系

数码世界 2017年12期

关键词：桥式低音电源

邱立华广州工商学院电子信息工程系

邱立华广州工商学院电子信息工程系

音频放大器的分类与特点；甲类放大器的特色；单端甲类放大器的自然的音乐性；平衡桥式功放电路原理、特点；场效应管的特点及应用；单端甲类放大器的设计计算；免调试场效应管单端甲类平衡功率放大器线路分析；制作注意事项。

音频放大器甲类单端场效应管平衡桥式免调试

音频功率放大器通常见到的有电子管功放、晶体管功放、集成电路功放、场效应管功放。以及由上述所用器件两种或两种以上组成的混合功放，不同功放电路及所用元器件也是各不相同，因此音质又有各自的特点。

电子管功放的电子管是电压控制放大器件，偶次谐波丰富，重放音色温柔厚实，尤其是人声弦乐，表现为生动醇厚，很耐听。晶体管以及集成电路功放具有很高的解析力、频响宽、动态广，颇具有动感活力。场效应管功放，继承了电子管和晶体管的优良特性，既有很高的解析力，又具有很柔和的音色。

按功放管的工作状态分类有：甲类、乙类、甲乙类、数字类等；

甲类功放的功率晶体管（或电子管）的工作点在负载线中点，不论信号电平如何变化，它都不会截止和饱和。它的导通角是360°，因此效率很低，理论计算不可能超过25%。它的优点是无开关失真和交越失真。因为谐波分量中主要是偶次谐波，在听感上高音清晰、中音明亮、低音松软、层次分明，十分耐听。但因为效率低，耗电多，发热量大，对散热要求高，所以没有得到广泛应用，只有在一些高端音响器材中能见到。

乙类功放的晶体管（或电子管）的工作点在负载线靠近截止线附近，它的导通角是180°，无信号电平时，处于低电流状态，当在信号的正半周时，一对管子中的一只在半周期内电流上升，而另一只管子则趋向截止，到另一个半周时，刚好相反。由于两管轮流工作，必须采用推挽电路才能放大完整的信号波形。乙类功放的优点是效率较高，理论上可达78%，缺点是存在较大的开关失真和交越失真。

甲乙类功放的工作点在负载线中点下方截止线上方，导通角在180-360°之间。在低电平驱动时，放大器为甲类工作，当增大驱动电平时，转为乙类工作。甲乙类放大器的优点在于它比甲类提高了的效率，随着输出功率的增大，效率也增高，它在效率和失真之间取得了较好的平衡。现代功放大多都是采用这种方式。还可以采用高偏流的甲乙类，以减少功放的失真，当然，效率也会随之下降。

数字功放属于开关型的音频功放，数字功放使用的是PWM技术，输入的音频模拟信号经PWM调制处理后，形成占空比同输入信号成一定比例的脉冲链，经过开关电路放大后，由低通滤波器滤除高频成分，还原出已放大的输入信号波形。数字功放的优点是电源功耗小、转换效率高、散热器面积小、重量轻、失真小、具有甲乙类的音质。目前随着软硬件技术的发展，成本降低，数字功放已经广泛使用在商业音响器材中。

单端甲类功放就是使用一个放大器件来放大整个音乐波形，放大后的音乐波形是一个完整的与输入波形相同的波形，没有推挽放大正负波形的交越失真。因此单端甲类功放具有最小的失真，最自然的声音。而不足之处就是效率是最低的，约为20%，单端甲类功放是以牺牲效率换取音质的杰作。

采用平衡桥式功放电路可以增大功放的功率。平衡桥式功放电路由两组对称的OTL或OCL电路组成，可采用单电源供电，扬声器接在两组电路输出端之间，两个输出端直流电位相等，无直流电流通过扬声器。与OTL、OCL电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下，平衡桥式电路输出电压可增大一倍，输出功率可增大四倍。由于一路通道要有二组功放对，噪声绝大部分都是同相位的，彼此抵消，可以获得较高的信噪比。

如何选择单端甲类功放电路中使用的放大器件也有一番考究。电子管的输入阻抗很高，但其输出阻抗也比较高，晶体管的输入阻抗太低。VMOS场效应管具有很高的输入阻抗和跨导，也能输出很大的电流，很适合应用在单端甲类功放中。

在一般人的眼中认为场效应管声音偏冷、偏暗，其实这不是场效应管的原因。其声音不好，是场效应管的特点没有得到充分发挥，根据场效应管的转移特性，在低偏置时具有严重的非线性，带来严重的失真，解决的办法是让其工作在甲类状态，特别是单端甲类，瞬态特性极佳，偶次谐波丰富，音质醇美，既有电子管般的温柔韵味，又有晶体管般的动感活力。

单端功放输出功率、静态电流、供电电压的计算：

设在8欧的负载上得到20W的输出功率为例计算，其它的输出功率和负载阻抗可以另外计算。

根据 P=I2R，I2=P/R=20/8=2．5，I=1．58A。其中 I为输出电流的有效值，所以输出电流的最大值IM=1．414xI=1．414x1．58=2．24A。实际制作中取 2．3A。取电源电压利用率为0．85，则要求电源电压为：VCC=（IMxR）/0．85=21．6V。电路采用桥式整流，大容量电容滤波的电源供给形式，根据该电路的电流电压关系：U∽=VCC/1．2，所以，U∽=21．6/1．2=18V，实际制作中可以采用次级电压为双18V的电源变压器。平衡桥式功率放大器由两个性能完全相同的单端甲类放大器构成，输出功率应为20x4=80W。

因为本机是单端甲类平衡桥式功放电路，功耗为：2x21．6x2．3x2=198．7W。供电变压器的额定功率应有足够的余量，应取500W以上的电源变压器。双声道功放应各声道独立供电。

我们知道异极性管的配对是相当困难的，即使能配对，其动态的差异也是很大的，这同样就带来动态调制失真。这就是采用单端放大的一个重要原因。整个功放全部采用同极性管，所以相对来说，管子的配对效果要优良很多，只要配对好，同极性管的特性曲线一致性较高。

一般的单端放大器的各工作点容易受温度影响而改变，最终令输出端直流漂移电压随开机时间而改变，通常解决的方法：一是在输出端增加一个高品质隔直流的电容，容量约数千微法，二是象PASS的电路一样，不用纯正单端电路，而使用输入差分电路去抑制直流漂移。三是用直流伺服去稳定工作点。

第一、二种方法的利害关系不用我多说了，想必很多人都知晓，但对于用直流伺服去稳定工作点，很多人就不是很明白起利害关系了。因为很多音响行业的高手也津津乐道的用直流伺服电路。直流伺服电路，在静态测试和单一正弦波或方波测试，其指标是很完美的，但是对于复杂的音频信号就完全不一样了，其最大弊端是压缩了超低频的动态。当用直流伺服的功放去推全频音箱时，由于中高频的掩盖，其效果还不明显，但当用其推超低音音箱时，其弊端就显而易见了。

笔者对于电路非常苛刻，追求百分之百的完美，正是因为这样，虽然我早已打算设计一个甲类功放，但苦苦找不到一个合适的电路，从开始规划到设计成功，整整三年才设计出这一款自认完美的单端甲类平衡桥式功放电路，如下图。

本电路输入为平衡/非平衡输入，考虑到目前不少音源还是非平衡输出，又兼顾了平衡输出的音源。另外考虑到用分立元件构建倒相电路，很难实现对称，所以还是采用运放。一是电路简洁对称，二是可以为烧友更换不同的运放，聆听不同运放的音色。功率放大由两组简洁的单端功率放大器组成平衡桥式功率放大电路，上端的管子负责功率放大，下端的管子是上端管子的恒流管，其源极上的电阻为电流取样电阻，电压信号经三极管放大后控制恒流管的栅极电位，以保持电流的恒定。不用推动级是前面运放输出足够的信号电压，正好场效应管是电压控制器件，衔接非常好，符合简洁至上原则。两组单端功率放大器组成一个平衡桥式功率放大器。

这个电路最大的特色当然是纯正单端放大，放大器电路极其简洁，并且其直流工作点几乎不受温度漂移的影响。并由于没有采用任何反馈，其音色极其纯正。

因为电路简洁，本电路的调试与制作变得简单，并且不用调试就能成功，只要测试一下静态电流即可，调试就这么简单！需要不同的功率，只需把恒流管源极上电流取样的1欧并联电阻进行调整，4个1欧电阻并联为0．25欧，则电流为2．2A，3个1欧电阻并联为0．33欧，则电流为1．65A，2个1欧电阻并联为0．5欧，则电流为1．1A，只用1个1欧电阻，则电流为0．55A。更改1欧电阻的数值可以得到不同的电流值，也就是可以得到不同的输出功率。甚至用来作为耳放，别有一番风味。

一个好的功放，线路原理设计固然重要，低噪音除了稳压电源的功劳外，线路板的设计也至关重要。很多高人为了降低电路的本底噪音，使用大面积覆铜层作为屏蔽。这种电路方式其实要不得，噪音固然是降低了，但是其带来的弊端就是压缩了低频动态，至于用什么理论去解释这一现象，我也说不清楚，这毕竟是仪器测试不出来的，是用耳朵对比才能分辨出的。还有线路板设计时，音频通道上尽量不要用过孔，过孔对音质的影响也不可轻视。这是我从事音响设计多年的经验。本机高音清晰细腻，中音温暖流畅，低音深沉厚实，有些名人用松而富有弹性这样的理念来设计低频，正是因为有这样的理念，很多的功放必须配专门的超低音才能出来那种深沉的低音效果。

真正能把低音做好的并不多，要做好低音，必须做到四个字：深、沉、厚、实，低音考验的是功放的内力，玩不得半点虚假，必须象郭大侠的降龙十八掌那样，打狗棒和太极拳是玩不转的。唯有深沉的低音才有那震撼的磅礴气势，才能打开那开阔的音场，唯有厚实，才会有让人感觉到那种强大力量下的压抑感，并且感觉不到沉闷。真正的低音具有那种排山倒海的气势，给你心灵有一种震撼的效果，但又没有沉闷的感觉。

装配时，元器件要准确安装在印制板上，焊接必须牢靠，特别是大电流的引脚必须牢靠，接触良好。大功率场效应管必须用散热硅胶与散热器良好接触并固定牢固。散热器必须足够大。电源及喇叭的引线必须符合电流的要求。电源的功率必须足够，并且留有余量。双声道功放应各声道独立供电。以提高声道分离度，减少串扰，增加各声道工作的稳定性,直流电源的纹波系数要小。安装完成检查无误后，就可以通电试验。观察熔丝管,熔断电阻是否熔断，如有焦糊味应该立即切断电源检查,看是否有元器件因电流过大而烧坏。接下来用手触摸除功放管和电源以外的集成电路塑封包装时,一般都没有温升或很低的温升,如在触摸时发现温度较高,有烫手的感觉,说明此电路不正常,应该对集成电路的外围元器件及其本身进检查。通电外观检查正常后，先用万用表直流电压10V挡测量喇叭两输出端子的电压应为0V,接着测量功放管源极上1欧并联电阻上的电压，符合设计要求，即可接入音源进行试听。本机应表现出高音纤细。中音明亮，低音震撼，给人非常愉悦的听感。

这是我对功率放大器的一些体会，欢迎同好交流指正。