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场效应管特性及单端甲类功放制作

admin4个月前 (05-17)电子信息14

场效应管特性及单端甲类功放制作

音频放大器艺术魅力及评价
    音频放大器按所用放大器件可分为电子管放大器、晶体管放大器、集成电路放大器、场效应管放大器以及由上述所用器件两种或两种以上组成的混合放大器,各类放大器电路及所用元器件也是五花八门、千变万化,由此对音源的重放音质又各具特色,很难说哪一种放大器能以偏概全、技压群芳成为万能放大器。
    电子管放大器由于空间电荷的传输时滞作用,重放音色温暖柔和,尤其是弦乐人声,表现为醇美剔透,耐人寻味。晶体管以及集成电路放大器具有犀利的分析力、宽阔的频响和强劲的动态,具有朝气蓬勃、催人奋进的感召力。场效应管放大器以及混合器件放大器,力图综合电子管和晶体管音频特性,开创异彩,让乐声更传神,让音色更完美。
    近些年来,随着电子电脑技术的不断发展,各种电子合成器、各种音频效果器和胆音效果器软件以及虚拟扬声器技术层出不穷。这使得音频放大器硬件的发展和普及远远赶不上软件的速度,在精确度上硬件往往也赶不上软件,如电脑模拟3D效果逼真度大大超过真实3D效果,不受听音室的空间以及声源合成的限制,同时也节省投入硬件的开支。
    绿色音响、双料发烧—— 电脑音响很有可能会成为未来音响的主流,硬件不行软件来,实行软硬兼施,功能强悍,集中体现了高效、便捷、神奇以及经济的特点。如在电脑中设置虚拟光驱,每次播放乐曲时,就不必启动物理光驱,这样不仅减少等待曲目时间及物理光驱的磨损,更重要的是消除了物理光驱的噪声,实现高保真放音。再如,胆管功放放音柔和耐听,而制作成本不薄,并且取得靓音的要件比较多,而通过胆音效果器软件,可为我们在电脑中造就一个“软胆”,就可以模拟出胆机的音色。目前电脑多媒体音响正处于进阶时期,并与电视也架起了沟通的桥梁,其前景是十分灿烂诱人的!电脑以及音响发烧友,是一个不惜时间和精力,积极探索追求音质的特殊层面,将继续担起一份爱乐责任,生活中多一首甜美的歌声,就少一幕苦涩的纷争。无论是普通音响,还是电脑多媒体音响,功率放大器依然是音频能量扩大推动扬声器出声不可或缺的终端,各类放大器均能较好地实现这一功能。不过现代人们对音响(技术因素为主,如频率响应、失真度、信噪比等)和音乐(艺术魅力为主,如声底是否醇厚、堂音是否丰富、听感是否顺耳等)的苛求愈来愈高,不少“金耳朵”能够听出歌手的齿音、口角以及身临其境、直逼现场的感觉,因此对音频放大器重放音色也寄予更大的要求,努力以特色音响塑造迷人的音乐氛围。
    各类音频放大器具有各自的优点及属性,也各有其不足之处,而场效应管放大器主流兼具晶体管和电子管两者的优势,同时还具备两者所没有的优势。在电路程式上,大量实践证明,单端甲类功放是以效率换音质的典范,具有无与伦比的音乐魅力。不少发烧友从单纯追求音质出发,反复制作功放,反复对比听音,最终为A类所动,似乎觉得没有A类的音乐犹如孤独的音乐。

四、单端甲类放大器性能刍议
    放大器按工作状态的不同一般可分为3类:①A类放大器,又称为甲类放大器;② AB类放大器,又称为甲乙类放大器;③B类放大器,又称为乙类放大器。在这3类放大器中,线性最好,音色最靓的是A类放大器,而单端甲类放大器与推挽放大器在设计上一个不同之处,就是使用一个放大器件来放大整个音乐波形。而推挽设计采用两个放大器件,分别放大信号的正负半周,包括一些推挽甲类放大器。单端甲类放大与推挽放大一个显著的不同特征就是放大后的音乐波形是一个完整的与输入波形十分相似的波形,没有推挽放大正负波形的交越失真,尽管推挽放大采用配对精度高达2% 误差甚至更小误差的孪生管,但这只是一个片面性的数字描述,事实上正负波形不可能交接得好,加之电路元器件非线性引起的相移存在,交越失真将进一步增大,当然失真与音色在一定程度上并不对立,这要看设计放大器的用途和目标,并非推挽放大就此罢休,况且推挽放大器中,由于存在多次谐波,虽然原配正负波形交接不好,但谐波交接不能否定,只是与单端波形相比难以抗衡。
    关于推挽放大谐波尤其是偶次谐波会相互抵消这一说法,笔者不予完全认同,只有相移失真达180°或360°等谐波成分才会相互抵消。如推挽功放中的直流高压中的交流纹波经推挽变压器中心抽头平均分成两路,由于两臂线圈极性相反,相差180°,交流纹波几乎被完全抵消。
    单端甲类放大器具有最自然的音乐性,其不对称性与空气受压缩与扩展的特性相似。由于组成空气含量最多的为非极性分子氮气(N2),约占78%,因此空气是压强能变得非常高的“单端无极”媒介,使得单端A类乐声最传神,音色最醇美。

五、VMOS场效应管单端甲类功放的制作
    设计放大器有两个基本原则:一是简单,二是线性。而能做到最简单的放大器线路就是单端甲类了,简单不是单端甲类放大使用的唯一理由,是因为单端甲类具有最迷人的音乐感。在A类、B类、AB类线路程式中,线性最好的是甲类,而不足之处就是效率是最低的,约为20%,是以效率换音质的典范。
    在单端甲类放大电路中使用的放大器件也有一番讲究。晶体管具有太低的输入阻抗,电子管的输入阻抗很高,但其输出阻抗也比较高,从原理上讲电子管并不适合做功放输出管,因此唯一的选择是场效应管。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放大器中。而在众多的场效应管中,用VMOS场效应管制作的单端甲类放大器,更领风骚,魅力独特。高端的钛膜声,中频饱满细腻流畅的磁性声,弹性十足震撼人心的低频轰炸声,别有一番霸道气势。
    在一般的设计中场效应管特长没有得到充分发挥,甚至认为声音偏冷、偏暗,其实这不是场效应管的原因。其声音不好,一方面是人们使用它直接代换晶体管,晶体管的线路是不能发挥出场效应管的特性的;另一方面,这些电路通常使用AB类的偏置。根据场效应管转移特性,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A类状态,特别是单端A类,瞬态特性极佳,音质纯美,偶次谐波丰富,音色悦耳动听,更具有电子管的醇美音色。
1.电路原理
 
    单端甲类场效应管功放电路五花八门,各有特色,本机电路如附图所示。为了获得靓丽的音色,采取简洁至上原则,多一个元件多一分失真,多一条线路多一分失真。现将电路原理作一简述,以抛砖引玉,其主要特点有以下一些。
(1)为了避免普通音量电位器传输失真,非稳态接触电阻、摩擦噪声和操作易感疲惫之嫌,本机采用音响型极低噪声VMOS场效应管IRFD113作指触音量控制。其相对于键控音量电路又减少了一些元件,并加以屏蔽,使音量控制部分的噪声系数达到1dB以下(VMOS场效应管噪声系数在0.5dB左右),敢与高档真空步进电位器或无源变压器电位器抗衡,手感更贴切人性化。
    VMOS场效应管内阻高,属电压控制器件,在栅极及源极之间连接充电电容,由于栅漏电流极小,电容电压在很长一段时间内能基本保持不变。当管子工作于可调电阻区时,其漏源极电阻将受到栅源极电压即电容的电压所控制,这时管子相当于压控可变电阻,当指触(依手指电阻导电)开关S1闭合,即向电容充电,当指触开关S2闭合,即将电容放电,从而达到以电压控制漏源极电阻的目的。将其按入音响设备中,即可调节音量的大小。S1和S2可用薄银片或薄铜片制作,间距2mm左右,待调试后确定,音量增减量设置在±2dB左右。
(2)由IRF510作电压放大,放大后的音频电压直耦至上臂管IRF150进行扩流并作源极输出,下臂管IRF150构成恒流源,直流为通路,交流为开路,使交流信号通过输出电容推动扬声器。
(3)由于VMOS场效应管具有负的电流温度系数,即在栅极与源极之间电压不变的情况下,导通电流会随管温升高而减小,从而避免管子二次击穿。但管子温度的变化与电流的变化速率相差甚远,对此为了防止负温度系数惯性延迟而影响工作状态,本机在IRF510阴极串上一只适当阻值的正温度系数补偿电阻(100Ω/2W ),以起到缓冲作用。其原理是当没有阴极电阻时,IRF510栅源电压是恒定的固定偏压,与管子电流变化无关,加上阴极电阻后,当管流减小时,源极电位也降低。而相对于栅极来说,栅极电位便提高了,这样栅源电压就增大了,此时管子电流便增加了,从而适量抵消负温度系数产生的电流陡坡现象。阴极电阻阻值大小决定这种作用的大小,从而起到适当的缓冲作用,此电阻并不是电流负反馈电阻。
(4)本机经考虑后不采用OCL即无输出电容电路,一则是为了扬声器安全,二则考虑零点失调电压尤其是动态时对扬声器音圈产生直流偏磁位移,直接影响扬声器性能,从而劣化音质。由于大容量输出电容多为电解电容,一般认为噪声较大,而实际上这是一个信噪比的问题,关键是应用在什么电路,如将电解电容用
在动圈唱头放大电路,就不合适,动圈唱头信号只有2mV左右,要求放大电路具有较高的信噪比,用电解电容信噪比就低。而将电解电容用于功放末级输出,情况就不一样了,信噪比相对低电平电路会有大幅度提高。另外一点,电解电容在使用前最好进行通电老化,并择优选用,然后上机后再进行充分煲机,这样可降低噪声系数。没有噪声的元器件是没有的,关键要合理运用,并采取措施,以达到必要的目的。本机为了减小输出电解电容由于感抗对高频的影响,用3只电解电容并联以减小感抗,并将扬声器的负极接电解电容的负极,以钳位电解电容漏电流产生的音圈偏磁位移。
(5)本机场效应管偏压由电源模块LM7812提供,功放电源不采取稳压电源供电,以避免限制乐声的低频力度和动态,即降低电压换电流,降低功率换音质。

2.制作调试
     制作本机时,两声道要用独立电源供电,以提高分离度,减少干扰,并增强各声道工作稳定性。本机后级由于采用直耦电路,所以工作点会相互牵制,需反复调试几次才能完成,IRF510工作电流约为20mA,上下两管IRF150(配对)工作电流约为1.5A,栅源电压约为3.8V,反复调节这两级偏压电阻,使中点电压为l8V。不同产地、不同批次管子会有所出入,数据仅作参考,最好使用示波器将其调节为A类最佳工作状态。否则,由于管子的离散性,即使工作点按手册或特性曲线给出的参数调节工作点,也未必工作在最佳的A类状态。本机可代用的场效应管较多,不同管子参数、特性及音色也有差异。表2列出几种常用管子参数供参考。本机其他元器件选用可参考有关资料,在此不再赘述。

表2 几种常用场效应管主要参数
型号 用途 类型 源漏耐压/V 源漏电流/A 耗散功率/W 备注
BS170 低噪声放大 N 60 0.3 0.63  
2SK389 低噪声差分放大 N 50 0.01 0.2 双管封装
IRF510  电压放大 N 100 2.5 20  
IRFDl13 低噪声放大 N 60 0.8 1  
2SK1058 高频功率放大 N 160 7 100 互补2SJ162
2SK413 高频功率放大 N 140 8 100 互补2SJ118
2SK405 高频功率放大 N 160 8 100 互补2SJ115
IRF130 高频功率放大 N 100 12 75 互补IRF9130
IRF540 高频功率放大 N 100 28 150 互补IRF9540
IRF150 高频功率放大 N 100 40 150 互补IRF9150

    单端电路是耗电大户,本机输出管单管热损耗约30W ,提高工作电压还可增加输出功率,但热损耗也相应增加。因此,必须将管子装在一块热阻不大于1kΩ/W的散热器上,规格不小于200mm&TImes;200mm&TImes;6mm,将管子用硅脂涂抹后紧固在适当的位置上。

3.参数指标
实测技术指标见表3。
表3 实测技术指标
输入灵敏度 360mV
最大输出功率  8W (8 Ω,THD+N=10%,1kHz正弦波信号)
最大音乐输出功率 10W (8 Ω,THD +N<211%,1kHz正弦波信号)
失真 3.8% (1W/8Ω,1kHz)
信噪比 88dB (不计权)
频响 18Hz~165kHZ

4.测评试听
本机测评试听搭配器材如下:
(1)飞利浦(Philips)LHH-500型顶级CD唱机;
(2) 自制直热管3A5前级;
(3) 意大利傲霸卡丝音箱;
(4) 美国音乐丝带Super FlaTIne Cable音箱线;
(5) 高度风Ortofon AC-5000 8N无氧铜信号线;
(6) 日立4N单品铜3&TImes;3.5mm 硅橡胶电源线;
(7) G&W TW-05D型音频专用电源净化器。
    用正版雨果CD进行试音时,声场宽阔,动态特别好。音像定位、解析力佳,低频结实,控制力好。音质非常纯净,让人过耳难忘!

 

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