输出为单管放大的甲类音频功放

放大电路的核心器件是三极管,三极管具有放大能力,放大电路能将微弱的信号放大为可利用的大信号.三极管要保证在放大区,其e结应正向偏置,c结应反向偏置.电路参数对静态工作点的影响,静态工作点的位置十分重要,静态工作点与电路参数有关.
IGBT(Insolated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点.GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小.IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低.
Hi-Fi界有一句至理名言,就是简洁至上.这就是说,假如能用一个元件或器件做成的电路,就尽量不用两个.电子电路中常用的电子元件有电阻、电容、电感等,常用的电子器件有二极管、三极管及集成电路等.电阻、电容都属于线性元件,在放大电路中可以认为不会因它们而产生非线性失真.但是,目前用于放大的电子器件,不论是电子管、晶体管,还是集成电路,统统都是非线性器件,它们是放大电路中产生非线性失真的根源.因此,在放大电路中应尽量少用管子.要做到这一点也并非容易,所以通常所见到的放大电路都比较复杂.要想简洁,必须解决两个问题:一是放大倍数要足够大,至少应该在接CD机时能够达到额定的输出功率;二是非线性失真要尽量小些,在不加负反馈或只加少量的负反馈时,谐波失真系数能够达到Hi-Fi要求.
功率放大器的输出电路方式,可按有无输出变压器分为两类.无输出变压器的功放电路为了使扬声器中无直流电流通过,必须采用电容耦合(OTL电路)或者正负两套电源(OCL电路).本文介绍的晶体管甲类音频放大器选用变压器输出的单管放大方式,每声道只用两只管子,而若采用互补推挽电路,则至少要用四五只管子.由于所用的输出变压器初级阻抗只有几十欧姆,所以绕制起来很容易,性能也很容易达到要求.采用变压器输出的一个突出优点就是可以避免烧扬声器.另外,变压器次级线圈极小的直流电阻,会改善扬声器的阻尼,使瞬态失真减小.
电路结构与特点

该晶体管甲类音频功率放大器电路及电源电路如图1所示.这一功放电路具有高达15W的有效值输出功率,它只用两只晶体管,并把它们直接相连,复合成一只高跨导的功率场效应晶体管.这是笔者受到绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的启发偶尔想到的. IGBT是一种新型半导体功率器件,已成功地应用于高频开关电源中,近几年在高保真声频功率放大器中也常见到它的踪影.它兼有双极型晶体管(即普通 PNP、NPN晶体管)和单极型晶体管(即场效应管)两者的优点,但没有两者各自的缺点,所以应用前景非常广阔.普通晶体管的饱和压降小,但开关速度慢,而且是正温度系数.场效应管不需要输入电流,开关速度快,具有负的温度系数,但是导通电阻较大.

IGBT的等效电路如图2所示,图中(a)示出了由P沟道场效应管和NPN型晶体管复合而成的IGBT等效电路,(b)示出了由N沟道场效应管和PNP型晶体管复合而成的IGBT等效电路.由于目前的IGBT主要设计目的是用于开关电路而不是线性放大电路,所以其输出特性曲线的线性不太好.笔者采用了一只性能优良的日立名管2SJ77与一只国产大功率晶体管 3DD9按IGBT结构复合成输出管.2SJ77(互补管为2SK214)是专门设计用于线性放大的中功率MOSFET,在高保真功率放大器中常用作推动管,口碑颇好.其跨导高达40mA/V(或40mS),输入电容CIS为90pF,还不到大功率场效应管2SJ49(2SK134)输入电容的六分之一.
这种复合方式有以下显著优点:
(1)具有极高的跨导,可产生足够的电压增益.2SJ77的跨导为40mA/V.因为VT1的漏极直接接到了VT2的基极,所以VT2的发射极电流就是VT1漏极电流的(β+1)倍.如果VT2的电流放大系数β为 50,则这只复合管的跨导就是2000mS.这就是说,场效应管VT1的跨导被VT2放大了大约β倍.在图1所示电路中3DD9的β选为40.当R3短路、R4开路时的开环电压放大倍数为60.负载为8Ω时最大输出功率为15W,可计算出所需输入电压的有效值约为0.18V.当R3=51Ω,R4开路时的电压放大倍数约为30,这就是说,R3产生了-6dB的负反馈.当R3=51Ω,R4=2kΩ时的总电压放大倍数为15,总负反馈量为-12dB.其中 R3产生的反馈为电流串联负反馈,R4产生的反馈为电压串联负反馈,各为-6dB.
(2)VT1对于VT2来说为电流驱动,VT2的基极电流就是VT1的漏极电流,因此可避免双极型晶体管VT2产生奇次谐波失真.场效应管的栅源电压UGS与其漏极电流ID为平方关系,虽然不是线性关系,但理论上只会产生二次谐波失真.而双极型晶体管的基射电压UBE与其集电极电流IC为指数关系,如果采用电压源激励,就会同时产生奇次和偶次谐波失真.但是如果采用电流驱动,则集电极电流IC与基射电压UBE无关,就可避免奇次谐波失真的产生.该功率放大器的音色醇厚而温暖,颇有胆机的味道,其原因可能就在于此.
(3)复合管的输出管VT2的集电极直接接地,因此与散热器之间不必加绝缘垫,有利于减小热阻,这对于产生热量较大的甲类功放更显得必要.实际安装时,应将2SJ77靠近3DD9,目的是产生热耦合,利用MOS型场效应管的负温度系数改善整个放大电路的温度特性.如果不加负反馈,则2SJ77也可以不加绝缘垫,因为它的源极(即中间的管脚)正好为外壳.
(4)这种复合管比目前IGBT管线性好,并且价格低.
该功放大器电路的偏置电路利用发光二极管作为偏压稳定,在电源电压发生波动时,可保持静态电流基本不变.
电源电路采用扼流圈输入式倒L型滤波电路,输出直流电压约为电源变器次级电压有效值的0.9倍.滤波电感器要求电感量大于1H,电流大于1.5A.如果感到扼流圈不便于自制与安装,也可以采用图3所示的稳压电源供电.因为单端放大电路对电源纹波没有抑制作用,所以如果不用扼流圈或稳压电源而仅靠电容滤波,则即使电容用到20000μF时,也仍有几十毫伏的交流声.

图1所示电路中的VT1与VT2,如改用MJ29585与2SK214,则输出功率为10W.需注意的是复合后管子属于N沟道的IGBT,故电源与电路中有极性的元器件与组件的极性都要反过来.