场效应管功率放大器前后级的设计与分析

广东培正学院 隋传国

真空管由于存在空间电荷传输滞后特性，放大器具有特殊的音色，温暧柔和，尤其是重放人声，表现的醇美剔透，耐人回味无穷，尤以表现人声音乐情感见长。而晶体管放大器具有犀利的分析力、宽畅的频响和强劲的动态，具有朝气蓬勃、催人奋进的感召力。

场效应管放大器音色介于以上两者之间，既有电子管功放声音细节温暖耐听，具有感染力；低音不浑浊，高音圆润，又兼有晶体管体积小、效率高等优点。反复比较证明，场效应晶体管的适应范围大，表现力强，除具备胆管的特点外，对铜管乐、交响乐等各种乐器刻画逼真，干净利索，乐感朝气蓬勃，气势磅礴，是音乐爱好者的上佳选择。

在原电路结构的基础上，详细分析了电路参数，对音响爱好者自己开发前后级功放具有一定的指导意义。

1 前级放大器的结构与特点

前级放大器结构如图1所示：

图1 前级放大电路图

前级放大器采用场效应三极管2SK30，T2接成共漏极电路以提高带负载能力。

1.1 静态工作点的确定

根据2SK30的输出特性曲线（见图2），当iD=1.2mA附近时，静态工作点位于中部。根据公式(1)：

IDSS为uGS=0时的漏极电流。

UGS(OFF)称为管子的夹断电压。

由图可见，IDSS=2.8mA，UGS(OFF)=-1.6V。令iD=1.2mA

带入公式得到两个解uGS1=-0.6，uGS2=-2.65V，uGS2与题意不符，故舍去。

图2 2SK30的特性曲线图

对应地，T2的工作电流也是1.2 mA附近，处于最理想的工作状态。

调节2SK30A的机理是：电阻Rf3与电压放大倍数成正比，在确定了Rf3后，场效应管T1漏极电压（以下称为UD1）11 V为最佳，可通过调整Rf5的阻值来进行。值得一提的是，因为设计的是甲类放大器，T1是结型场效应三极管，源极电位设计在+0.6 V，对应的漏极电流（以下称为ID1）在1.2 mA。如果UD1低于11 V，说明ID1大了，此时应当调大Rf5；如果UD1提高了，说明ID1小了些，此时应当调小Rf5。如此往复多次，最后确定Rf5为18 kΩ，Rf3为8.25 kΩ。

场效应管T2组成源极输出器，放大倍数接近1。源极电压约为11.5 V，电阻Rf7选为9 kΩ。漏极电流约为1.28 mA。

1.2 场效应管跨导的计算

场效应管的跨导与静态工作点的设置和特性有关。当T1漏极电压10.5 V时，T2源极电压11 V，根据公式(2)：

IDQ——静态工作点漏极电流，可由Tf1漏极电压计算得到；

IDSS——uGS=0时的iD值，从场效应管转移特性图得到；

UGS(OFF)——夹断电压，从场效应管转移特性图得到。

根据图1所示，夹断电压为-1.6V，IDSS为2.8 mA，静态漏极电流为1.2 mA。再根据公式(2)计算出跨导为2.29 mS。

1.3 共源电压放大倍数的计算

以场效应管T1为核心组成的甲类电压放大器，其电压放大倍数计算公式为：

把各项参数带入公式计算后得到前级电压放大电路（见图1所示）的放大倍数约等于-15.4。

1.4 最大不失真输出电压

场效应管电路最大不失真电压的求法分为最大值和最小值，当输入信号的正半周峰值时对应放大器交流输出负半周的最小值。

1.4.1 ug与us的关系

在放大器的输入端信号增加时，漏极电流iD增加，由于Rf4的负反馈作用，uS上升，使电路达到新的平衡值，iD和uS不再增加。

根据电路的交流分析：

得到：

可见，当ug增加时，us也按比例增加。

1.4.2 可变电阻区的电压uDS

借助仿真软件MULTISIM，观察输出波形，当出现失真时，即可确定可变电阻区的电压uDS。

实验的方法是逐步增加输入信号，当结果出现明显的削顶失真和削低失真时，见图3所示：

图3 输入信号达到1V（VP）时的显示结果

即可确定最大不失真输出电压。实验中当输入信号达到1 V（VP）时，出现了图3所示的显示结果。此时，输入信号ug=1 V（VP），根据公式(4)，uS=0.19 V。在输入信号的正半周峰值时刻：

从输出特性曲线上看，iD已大于2.4 mA（ugs>0 V），iD与UDS处于变阻区。

1.4.3 直流负载线方程

因为UGS=-US

根据公式(1)，得到：

带入直流负载线方程得到：

可见UDS与ID并不是完全的线性关系。

1.4.4 最小漏极-源极电压uDSmin

由交流负载线方程uDS=VCC- iD(Rf3+ Rf4)

当uDS=0时，

过uDSmax点和这两点画交流负载线如图4所示：

图4 交流负载线示意图

在图上找到交流负载线与VGS=0 V的交点，读出此点的uDSmin约等于1.5 V。

因此，U=min{UDSQ- uDS0，IDQRf3}=9V。

实际上，当幅度在8V以上时，线性已经变差。后级放大器的放大倍数为10，也不会要求前级的幅度超过4 V。因此本放大器有充足的裕量保证它工作在线性良好的区域。

用场效应管JFET做甲类放大器的计算较复杂，少有文献记载，好在采用仿真软件既方便又直观。

1.5 前级放大器性能分析

采用MULTISIM软件仿真结果如图5所示，此时的输入信号幅值是300 mV，输出信号幅值4 V。仿真的放大倍数13.3，与计算得到的相差不大。结合上文的本电路最大不失真电压幅度9 V，完全满足后级放大电路对前级的要求。

2 功率放大电路的设计与分析

后级功率放大器的电路如图6所示，是一个三级放大电路。第一级为差分放大电路，Tm1和Tm3是N沟道结型场效应管，它们的特性一致，以保证漏极电流的线性良好。Tm2和Tm4是P沟道结型场效应管，也要求特性一致。Tm2和Tm1特性互补，互为有源负载。这一级为双端输入单端输出差分放大电路。

图5 输出幅度4V时的波形

由于Tm1、Tm5是反相放大器，其余都是同相放大器，所以整个放大器的反馈信号与输入信号同相。形成共模差分放大器。

Tm2、Tm6的分析与此相同。

图6 后级功率放大器电路图

2.1 输入级

N沟道结型场效应管2SK246Tm1和Tm3具有相同的特性，组成对称的差分放大电路，能显著抑制零点漂移；只对差模信号具有放大能力，而对共模信号具有很强的抑制能力。输入信号由Tm1栅极输入，差分放大器的负反馈信号由Tm3栅极输入。这个差分放大的输出端只有一个，经差分放大后的单端输出信号由Tm1的漏极引出。

2.1.1 双端输入单端输出差分放大器

当存在反馈信号时，即为双端输入单端输出差分放大器。

2.1.2 共模放大倍数

由于uin=uf，电路参数理想对称，管子Tm1和Tm3栅源电压增量（包含直流量的瞬时总量）相等，，漏极电流增量（包含直流量的瞬时总量）相等，；

这里，gm是Tm1的跨导。

RDSTm2是的漏源等效电阻，大约200 kΩ。

由于RDSTm2很大，所以uDTm1近似等于。

2.1.3 静态工作点的设置

根据场效应管2SK246的特性曲线图7所示，场效应管Tm1和Tm3的漏极电阻的电压降1.5 V，漏极电流1.5 mA，对应的栅源电压-1 V。下一级Tm5的集电极电流0.8 mA，留在下一节展开讨论。

图7 JFET2sk246场效应管的转移特性曲线

P沟道结型场效应管Tm2和Tm4的分析与此相同，读者可借鉴得出结论。

2.2 电压放大级

三极管Tm5和Tm6组成推挽式电压放大器，二者互为集电极有源负载，所以他们的放大倍数都很大。例如当三极管Tm6基极电位下降时，其集电极电流也下降，阻抗变大，成为三极管Tm5的负载；因为与之搭档的三极管Tm5基极电位也是下降的，可其集电极电流上升，放大倍数很大。此级完成功率放大器的电压放大任务。

2.3 电流放大级

场效应管Tm7、Tm8、Tm9和Tm10是电流放大电路。

整个放大器放大倍数是10，由反馈支路（Rm7、Rm8）决定。

3 后级功率放大器的调试

Tm1漏极静态电流设定在1.5 mA，为的是将Tm5和Tm6静态集电极电流设定在0.8 mA，Tm9、Tm10的源极之间的电位差的调节环节有两个，一是调节Rr1，调大电阻值能减小这个电位差，反之调小电阻值能增大电位差；二是调节Rr2，调大电阻值能增加电位差，反之调小电阻值就能减小电位差。实际操作中电位差关乎大功率管的安全，设定在1 V较好。

末级放大器设计成甲乙类推挽式，为了克服交越失真，末级功率管（配对场效应管Tm9和Tm10）静态电流调节在10 mA左右。

结语：用场效应管做出的功率放大器声音有灵性，音频饱满，动感十足，是广大音乐发烧友的不二之选，值得一试。