邱立華 廣州工商學(xué)院電子信息工程系

免調(diào)試場效應(yīng)管單端甲類平衡橋式功率放大器

邱立華 廣州工商學(xué)院電子信息工程系

音頻放大器的分類與特點；甲類放大器的特色；單端甲類放大器的自然的音樂性；平衡橋式功放電路原理、特點；場效應(yīng)管的特點及應(yīng)用；單端甲類放大器的設(shè)計計算；免調(diào)試場效應(yīng)管單端甲類平衡功率放大器線路分析；制作注意事項。

音頻放大器 甲類 單端 場效應(yīng)管 平衡橋式 免調(diào)試

音頻功率放大器通常見到的有電子管功放、晶體管功放、集成電路功放、場效應(yīng)管功放。以及由上述所用器件兩種或兩種以上組成的混合功放，不同功放電路及所用元器件也是各不相同，因此音質(zhì)又有各自的特點。

電子管功放的電子管是電壓控制放大器件，偶次諧波豐富，重放音色溫柔厚實，尤其是人聲弦樂，表現(xiàn)為生動醇厚，很耐聽。晶體管以及集成電路功放具有很高的解析力、頻響寬、動態(tài)廣，頗具有動感活力。場效應(yīng)管功放，繼承了電子管和晶體管的優(yōu)良特性，既有很高的解析力，又具有很柔和的音色。

按功放管的工作狀態(tài)分類有：甲類、乙類、甲乙類、數(shù)字類等；

甲類功放的功率晶體管（或電子管）的工作點在負載線中點，不論信號電平如何變化，它都不會截止和飽和。它的導(dǎo)通角是360°，因此效率很低，理論計算不可能超過25%。它的優(yōu)點是無開關(guān)失真和交越失真。因為諧波分量中主要是偶次諧波，在聽感上高音清晰、中音明亮、低音松軟、層次分明，十分耐聽。但因為效率低，耗電多，發(fā)熱量大，對散熱要求高，所以沒有得到廣泛應(yīng)用，只有在一些高端音響器材中能見到。

乙類功放的晶體管（或電子管）的工作點在負載線靠近截止線附近，它的導(dǎo)通角是180°，無信號電平時，處于低電流狀態(tài)，當(dāng)在信號的正半周時，一對管子中的一只在半周期內(nèi)電流上升，而另一只管子則趨向截止，到另一個半周時，剛好相反。由于兩管輪流工作，必須采用推挽電路才能放大完整的信號波形。乙類功放的優(yōu)點是效率較高，理論上可達78%，缺點是存在較大的開關(guān)失真和交越失真。

甲乙類功放的工作點在負載線中點下方截止線上方，導(dǎo)通角在180-360°之間。在低電平驅(qū)動時，放大器為甲類工作，當(dāng)增大驅(qū)動電平時，轉(zhuǎn)為乙類工作。甲乙類放大器的優(yōu)點在于它比甲類提高了的效率，隨著輸出功率的增大，效率也增高，它在效率和失真之間取得了較好的平衡?，F(xiàn)代功放大多都是采用這種方式。還可以采用高偏流的甲乙類，以減少功放的失真，當(dāng)然，效率也會隨之下降。

數(shù)字功放屬于開關(guān)型的音頻功放，數(shù)字功放使用的是PWM技術(shù)，輸入的音頻模擬信號經(jīng)PWM調(diào)制處理后，形成占空比同輸入信號成一定比例的脈沖鏈，經(jīng)過開關(guān)電路放大后，由低通濾波器濾除高頻成分，還原出已放大的輸入信號波形。數(shù)字功放的優(yōu)點是電源功耗小、轉(zhuǎn)換效率高、散熱器面積小、重量輕、失真小、具有甲乙類的音質(zhì)。目前隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展，成本降低，數(shù)字功放已經(jīng)廣泛使用在商業(yè)音響器材中。

單端甲類功放就是使用一個放大器件來放大整個音樂波形，放大后的音樂波形是一個完整的與輸入波形相同的波形，沒有推挽放大正負波形的交越失真。因此單端甲類功放具有最小的失真，最自然的聲音。而不足之處就是效率是最低的，約為20%，單端甲類功放是以犧牲效率換取音質(zhì)的杰作。

采用平衡橋式功放電路可以增大功放的功率。平衡橋式功放電路由兩組對稱的OTL或OCL電路組成，可采用單電源供電，揚聲器接在兩組電路輸出端之間，兩個輸出端直流電位相等，無直流電流通過揚聲器。與OTL、OCL電路相比，在相同電源電壓、相同負載情況下，平衡橋式電路輸出電壓可增大一倍，輸出功率可增大四倍。由于一路通道要有二組功放對，噪聲絕大部分都是同相位的，彼此抵消，可以獲得較高的信噪比。

如何選擇單端甲類功放電路中使用的放大器件也有一番考究。電子管的輸入阻抗很高，但其輸出阻抗也比較高，晶體管的輸入阻抗太低。VMOS場效應(yīng)管具有很高的輸入阻抗和跨導(dǎo)，也能輸出很大的電流，很適合應(yīng)用在單端甲類功放中。

在一般人的眼中認為場效應(yīng)管聲音偏冷、偏暗，其實這不是場效應(yīng)管的原因。其聲音不好，是場效應(yīng)管的特點沒有得到充分發(fā)揮，根據(jù)場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性，在低偏置時具有嚴重的非線性，帶來嚴重的失真，解決的辦法是讓其工作在甲類狀態(tài)，特別是單端甲類，瞬態(tài)特性極佳，偶次諧波豐富，音質(zhì)醇美，既有電子管般的溫柔韻味，又有晶體管般的動感活力。

單端功放輸出功率、靜態(tài)電流、供電電壓的計算：

設(shè)在8歐的負載上得到20W的輸出功率為例計算，其它的輸出功率和負載阻抗可以另外計算。

根 據(jù) P=I2R，I2=P/R=20/8=2．5，I=1．58A。 其 中 I為輸出電流的有效值，所以輸出電流的最大值IM=1．414xI=1．414x1．58=2．24A。實際制作中取 2．3A。取電源電壓利用率為0．85，則要求電源電壓為：VCC=（IMxR）/0．85=21．6V。電路采用橋式整流，大容量電容濾波的電源供給形式，根據(jù)該電路的電流電壓關(guān)系：U∽=VCC/1．2，所以，U∽=21．6/1．2=18V，實際制作中可以采用次級電壓為雙18V的電源變壓器。平衡橋式功率放大器由兩個性能完全相同的單端甲類放大器構(gòu)成，輸出功率應(yīng)為20x4=80W。

因為本機是單端甲類平衡橋式功放電路，功耗為：2x21．6x2．3x2=198．7W。供電變壓器的額定功率應(yīng)有足夠的余量，應(yīng)取500W以上的電源變壓器。雙聲道功放應(yīng)各聲道獨立供電。

我們知道異極性管的配對是相當(dāng)困難的，即使能配對，其動態(tài)的差異也是很大的，這同樣就帶來動態(tài)調(diào)制失真。這就是采用單端放大的一個重要原因。整個功放全部采用同極性管，所以相對來說，管子的配對效果要優(yōu)良很多，只要配對好，同極性管的特性曲線一致性較高。

一般的單端放大器的各工作點容易受溫度影響而改變，最終令輸出端直流漂移電壓隨開機時間而改變，通常解決的方法：一是在輸出端增加一個高品質(zhì)隔直流的電容，容量約數(shù)千微法，二是象PASS的電路一樣，不用純正單端電路，而使用輸入差分電路去抑制直流漂移。三是用直流伺服去穩(wěn)定工作點。

第一、 二種方法的利害關(guān)系不用我多說了，想必很多人都知曉，但對于用直流伺服去穩(wěn)定工作點，很多人就不是很明白起利害關(guān)系了。因為很多音響行業(yè)的高手也津津樂道的用直流伺服電路。直流伺服電路，在靜態(tài)測試和單一正弦波或方波測試，其指標(biāo)是很完美的，但是對于復(fù)雜的音頻信號就完全不一樣了，其最大弊端是壓縮了超低頻的動態(tài)。當(dāng)用直流伺服的功放去推全頻音箱時，由于中高頻的掩蓋，其效果還不明顯，但當(dāng)用其推超低音音箱時，其弊端就顯而易見了。

筆者對于電路非?？量蹋非蟀俜种俚耐昝?，正是因為這樣，雖然我早已打算設(shè)計一個甲類功放，但苦苦找不到一個合適的電路，從開始規(guī)劃到設(shè)計成功，整整三年才設(shè)計出這一款自認完美的單端甲類平衡橋式功放電路，如下圖。

本電路輸入為平衡/非平衡輸入，考慮到目前不少音源還是非平衡輸出，又兼顧了平衡輸出的音源。另外考慮到用分立元件構(gòu)建倒相電路，很難實現(xiàn)對稱，所以還是采用運放。一是電路簡潔對稱，二是可以為燒友更換不同的運放，聆聽不同運放的音色。功率放大由兩組簡潔的單端功率放大器組成平衡橋式功率放大電路，上端的管子負責(zé)功率放大，下端的管子是上端管子的恒流管，其源極上的電阻為電流取樣電阻，電壓信號經(jīng)三極管放大后控制恒流管的柵極電位，以保持電流的恒定。不用推動級是前面運放輸出足夠的信號電壓，正好場效應(yīng)管是電壓控制器件，銜接非常好，符合簡潔至上原則。兩組單端功率放大器組成一個平衡橋式功率放大器。

這個電路最大的特色當(dāng)然是純正單端放大，放大器電路極其簡潔，并且其直流工作點幾乎不受溫度漂移的影響。并由于沒有采用任何反饋，其音色極其純正。

因為電路簡潔，本電路的調(diào)試與制作變得簡單，并且不用調(diào)試就能成功，只要測試一下靜態(tài)電流即可，調(diào)試就這么簡單！需要不同的功率，只需把恒流管源極上電流取樣的1歐并聯(lián)電阻進行調(diào)整，4個1歐電阻并聯(lián)為0．25歐，則電流為2．2A，3個1歐電阻并聯(lián)為0．33歐，則電流為1．65A，2個1歐電阻并聯(lián)為0．5歐，則電流為1．1A，只用1個1歐電阻，則電流為0．55A。更改1歐電阻的數(shù)值可以得到不同的電流值，也就是可以得到不同的輸出功率。甚至用來作為耳放，別有一番風(fēng)味。

一個好的功放，線路原理設(shè)計固然重要，低噪音除了穩(wěn)壓電源的功勞外，線路板的設(shè)計也至關(guān)重要。很多高人為了降低電路的本底噪音，使用大面積覆銅層作為屏蔽。這種電路方式其實要不得，噪音固然是降低了，但是其帶來的弊端就是壓縮了低頻動態(tài)，至于用什么理論去解釋這一現(xiàn)象，我也說不清楚，這畢竟是儀器測試不出來的，是用耳朵對比才能分辨出的。還有線路板設(shè)計時，音頻通道上盡量不要用過孔，過孔對音質(zhì)的影響也不可輕視。這是我從事音響設(shè)計多年的經(jīng)驗。本機高音清晰細膩，中音溫暖流暢，低音深沉厚實，有些名人用松而富有彈性這樣的理念來設(shè)計低頻，正是因為有這樣的理念，很多的功放必須配專門的超低音才能出來那種深沉的低音效果。

真正能把低音做好的并不多，要做好低音，必須做到四個字：深、沉、厚、實，低音考驗的是功放的內(nèi)力，玩不得半點虛假，必須象郭大俠的降龍十八掌那樣，打狗棒和太極拳是玩不轉(zhuǎn)的。唯有深沉的低音才有那震撼的磅礴氣勢，才能打開那開闊的音場，唯有厚實，才會有讓人感覺到那種強大力量下的壓抑感，并且感覺不到沉悶。真正的低音具有那種排山倒海的氣勢，給你心靈有一種震撼的效果，但又沒有沉悶的感覺。

裝配時，元器件要準確安裝在印制板上，焊接必須牢靠，特別是大電流的引腳必須牢靠，接觸良好。大功率場效應(yīng)管必須用散熱硅膠與散熱器良好接觸并固定牢固。散熱器必須足夠大。電源及喇叭的引線必須符合電流的要求。電源的功率必須足夠，并且留有余量。雙聲道功放應(yīng)各聲道獨立供電。以提高聲道分離度，減少串?dāng)_，增加各聲道工作的穩(wěn)定性,直流電源的紋波系數(shù)要小。安裝完成檢查無誤后，就可以通電試驗。觀察熔絲管,熔斷電阻是否熔斷，如有焦糊味應(yīng)該立即切斷電源檢查,看是否有元器件因電流過大而燒壞。接下來用手觸摸除功放管和電源以外的集成電路塑封包裝時,一般都沒有溫升或很低的溫升,如在觸摸時發(fā)現(xiàn)溫度較高,有燙手的感覺,說明此電路不正常,應(yīng)該對集成電路的外圍元器件及其本身進檢查。通電外觀檢查正常后，先用萬用表直流電壓10V擋測量喇叭兩輸出端子的電壓應(yīng)為0V,接著測量功放管源極上1歐并聯(lián)電阻上的電壓，符合設(shè)計要求，即可接入音源進行試聽。本機應(yīng)表現(xiàn)出高音纖細。中音明亮，低音震撼，給人非常愉悅的聽感。

這是我對功率放大器的一些體會，歡迎同好交流指正。

[1]邱立華,周仲浩,李運德.音響設(shè)備技術(shù)[M].廣州：廣州工商學(xué)院校企合作教材,2016.

[2]張世良,邱立華.汽車影音與導(dǎo)航[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2012.

邱立華，廣州工商學(xué)院電子信息工程系，電子工程師、汽車維修電工高級技師、國家職業(yè)技能鑒定高級考評員，研究方向：汽車電器的技術(shù)設(shè)計、質(zhì)量檢測和生產(chǎn)技術(shù)管理。