用場效應管做有膽味的功率放大器

隋傳國

（廣東白云學院 廣東 廣州 510450）

對于音頻功率放大器而言，最好聽的莫過于甲類放大器。根據頻率分析的結果，由集成運算放大器構成的前級聲音單薄、缺乏活力[1]。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著音響器材高端市場。能不能用場效應晶體管（FET），實現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之上，做出以FET為基礎的放大器，取得了有膽味的音樂效果。

1 以場效應晶體管為基本元件的放大器優勢明顯

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。總體來看，場效應管具有很高的輸入阻抗，也能輸出大電流，很適合應用在單端A類放大器中。中頻飽滿,細膩流暢， 彈性十足。用場效應管制作的放大器能產生震撼人心的低頻轟炸聲[2]。

1.1 失真低

場效應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，透明感適中，層次感、解析力和定位感均有較好表現，具有良好的聲場空間描繪能力，對音樂細節有很好的表現。

場效應管的跨導的線性較好。線性區域寬廣，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[7]。

1.2 噪音低

場效應管的噪聲是非常低的，噪聲系數可以做到1 dB以下。以2SK30為例，在VDS=15 V，VGS=0 V，RG= 100 kΩ, f =120 Hz測試條件下，噪聲系數的典型值是0.5 dB[6]。噪聲系數的定義是系統輸入信號的信噪比除以系統輸出信號的信噪比，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 穩定性高

我們知道,甲類功放熱效率低，產生的熱量占整個消耗的功率百分之七十以上。電路的熱穩定性受溫度影響較為明顯。如果電路的熱穩定性差, 會導致聽音效果不正常。這使得大多數音響發燒友望甲卻步。影響電路穩定性的主要環節是放大電路的電流放大部分,也叫輸出級[3]。雙極型晶體管集電極電流具有正的溫度系數，即他的集電極電流會隨著溫度的升高而升高。場效應管恰恰相反，具有負的溫度系數, 即他的漏極電流隨其結溫的升高而下降[4]。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工作點不隨環境溫度的變化而變化。而用場效應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定性。

2 以場效應晶體管為基本元件的放大器的電路結構

2.1 前級的構成

場效應管單管甲類前級放大器見圖1。Tf1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2SK30AMT出廠說明書載明的相關內容，該工作點的線性最好[6]。該級放大器放大倍數依據公式計算，式中

gm——場效應管的跨導。

2SK30AMT在VDS=10 V，VGS=0 V時的最小跨導 gm=1.2 ms。那么該級放大器放大倍數為6.72。

音量調節通過進階開關加11個固定電阻進行，每個電阻10k。這樣做的好處是既經濟，質量又好。音量調節實為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，放大倍數近似為1。靜態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的要求。

隔直電容Cf7，Cf8對音質的好壞影響較大，選用進口名牌WIMA電容。

圖1 JFET型場效應管甲類放大器前級Fig. 1 Pre-amplifier chart of the JFET in a style

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特性。功率放大電路如圖2所示。

以Tm1和Tm3為例，其檢測參數主要是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靜態值相差無幾，或相近。只有這4個場效應管靜態值大致相同，才有可能做出優質的放大器來。成批生產的放大器價格很高，正是這些電路中使用的元件匹配困難，造成制造成本高，制約了該技術的推廣應用。

這4個場效應晶體管匹配至關重要，只有它們的靜態特性一致，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容。

2.3 整機的調試

末級(Tm9和Tm10)電流的靜態值的設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。調節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。最初通電調試時，最好先從電路上取下Tm9和Tm10兩只大功率場效應晶體管。調節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。調好中點電位后，再安裝上Tm9和Tm10兩只大功率場效應晶體管，以確保大功率元件的安全。

圖2 功率放大電路圖Fig. 2 Circuit of the power amplifier

Rm3和Rm4兩端的電壓降以2 V為好。太高會造成后級（Tm9和Tm10）靜態電流過大；太低會使聲音失真明顯。調節Rr4能調節這個電壓。

為了提高放音的靈性，反饋量不宜過大，由Rm7和Rm8決定[5]。這里選擇反饋系數為0.1，從聽音效果看十分理想。

3 放大器的關鍵技術

3.1 前后級的關鍵技術

本著簡潔至上的理念，盡量減少多余環節和減小負反饋量。由集成運算放大器構成的電路，聲音缺少活力，音場處于一個平面。因此本電路未采用任何集成電路。

對于對稱放大器而言，對管的選配決定放大電路質量的高低。從某種程度上講，做放大器就是選對管。

對于前級放大電路，兩個結型場效應管（Tf1和Tf2）的VGS設計為-0.5 V是比較理想的選擇，這是根據他們的輸出特性所作的選擇。

V7、V8（見圖2）電位的高低，影響放音效果的好壞，電位差大些，聲音會厚些，韻味足些。反之，聲音差些。通過調節電位器Rr3來調節V7、V8的電位，Rr3阻值減小時，V7、V8電位差亦減小。圖2中V7、V8電壓值是比較理想的，此時末級電流200 mA左右。如太小，聲音太冷，蒼白無力；太大，費電，且對音質的提高幫助不大。

3.2 電源質量對放大器至關重要

±24 V穩壓電路如圖3所示。該電源具有軟啟動功能，具有正負電源分別短路或同時短路的保護功能。當正、負電源的任何一端對地短路時，將會使負、正電源電壓為零，從而保護了功放電路的輸出管。揚聲器中就不會有大的直流電流通過，從而有效地保護了揚聲器。

圖3 直流電源Fig. 3 DC power supply

該電源的軟啟動電路能消除開機時沖擊揚聲器的大電流，避免接通電源瞬間“噗噗”聲。軟啟動電路由Rs9,Cs9,R10,Ds9,Rs11Rs12和晶閘管SCR組成。開機延遲時間由Rs9、Cs9時間常數決定，本例中此常數為0.47 s，開機時音箱中一點兒“噗”聲也沒有。

3.3 其 他

大電流線路布線寬度100 mil，加錫。地線也是100 mil，加錫。

電容除電源濾波用電容外，全部采用德國高品質WIMA電容。

4 放大器降噪措施

在擺放元件布線時，嚴禁前后級交叉。

電位器質量低會引起較明顯的噪音。

前、后級電源一定要分開，否則來自后級的大動態信號會通過電源送到前級，造成明顯的干擾現象。

5 結 論

放大器做得好才能實現細小的聲音重現，高頻延伸透明，低音渾重，中音舒展洪亮。通過實驗比對，用場效應管制作的放大器噪聲系數低，聲音圓潤，且體積小，具有獨特的魅力。

[1] 吳剛.G&W TW-200LM 2×68W帶動態反饋合并式功率放大器[J].音響技術,1997(2):2-27.WU Gang.G&W TW-200LM 2×68W amplifier with dynamic feed back merge[J].AV Technology,1997(2):2-27.

[2] 從余.MOS-FET末級無負反饋蓄電池供電甲類6瓦功率放大器[J].實用電子文摘,1997(1):21-23.CONG Yu. Class A 6-watt battery-powered amplifier with Mos-FET final stage no negative feedback[J].Shiyong Dianzi Wenzhai,1997(1):21-23.

[3] 王清瑞. 50W×2純甲類FET功放的實際制作[J].實用影音技術,1999(8):46-48.WANG Qing-rui.Actual production of 50W×2 pure class A FET amplifier[J].Shiyong Yingyin-Jishu,1999(8):46-48.

[4] 鐘文祥.單端A類放大器及場效應管(3) [J].音響技術，2010(6):56-57.ZHONG Wen-xiang.Single-ended class A amplifiers and FET(3)[J].AV Technology,2010(6):56-57.

[5] 徐松森.MOS-FET無反饋50W功放的制作[J].實用影音技術,2006(8):57-59.XU Song-sen.Production of MOS-FET 50W amplifier without feedback[J].Shiyong Yingyin-Jishu,2006(8):57-59.

[6] Toshiba Semiconductor.2SK30ATM- Silicon N Channel Junction Type Low Noise Pre-Amplifier, Tone Control Amplifier and DC-AC High Input Impedance Amplifier Circuit Applications[EB/OL][2007-11-01].http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/213175/TOSHIBA/2SK30ATM.html.

[7] 佚名.場效應管特性及單端甲類功放的設計[EB/OL].(2009-12) http://www.elecfans.com/.