使用場效應管構成的功放電路解析

本文介紹了一款采用場效應管做前級放大制作的功率放大器，音響效果很理想。由于該功放的后級電路是一個直流耦合的電路，各級工作點的選擇，尤其第一級場效應管的工作點的選擇，將對電路的性能有較大的影響，因此本文著重敘述電路參數的計算及調試。

1．電路原理

圖1

電路主要由兩級差動放大及三級射極跟隨電路組成，如圖1所示。N溝道場效應管VT1、VT2構成第一級共源差動放大器，而VT3、VT4分別又與VT1、VT2構成共柵共源電路。眾所周知差動放大器具有共模抑制比高、失調和漂移小的優良性能。而在共柵共源電路中，后級的輸入電阻就是前級的負載電阻，由于共柵電路的輸入電阻較小，使前級共源極的電壓增益變小，但組合電路的電壓增益主要由共柵極決定，輸出電阻則主要由共柵極決定。因為前級共源極的電壓增益變小，所以特別適宜于高頻工作。R3、VT5、R4構成1mA的恒流源，此電流在VD3、R7上產生22V的電壓，從而使VT3、VT4的柵極電壓穩定在22V。由于柵源極間電壓很小，VT3、VT4．的源極電壓即VT1、VT2的漏源電壓就穩定在22V。VT3、VT4的漏源電壓也穩定在約22V。對直流而言VT3、VT4的柵極電位為22V，對交流而言VT3、VT4的柵極電位為0V，因此為共柵電路。R11、VT6構成第一級差動電路的恒流源，其作用是提高交流阻抗，提高共模抑制比。R5、C2是相位補償元件，用于防止高頻振蕩。  VT8、VT9構成第二級差動電路，VT7為其恒流源。VT0、VT11為比例式鏡像恒流源電路，VT11的集電極電流與VT10電流之比等于R22／R23，由于R22=R23，因此差動電流兩臂的電流是相等的。

VT12、VT13為末三級射極跟隨電路提供合適的工作電流點。

在輸入信號為正時，R29、R30的中點以及輸出O點電位為正，因此均可作為VT1、VT2差動級的負反饋電壓。R38、C9構成低通濾波器，角頻率為1Hz時增益即下降到1／根號2。集成電路TL072構成輸出點直流穩零跟隨器，其輸出Uo與其輸入Ui的關系為Uo=Ui+1／T∫Uidt，即Uo為Ui的比例積分，Uo作用于VT1、VT2差動級負反饋，能使O點直流電位為士10mV以下。在開環增益足夠大的情況下，整個后級電路的閉環電壓增益等于R14／R12。

2．場效應管的選擇

結型場效應管能為音響電路帶來極高的解析力，比最好的雙極型晶體管甚至最好的電子管都能提供更干凈、更清晰、更加自然的音樂。結型管由于其PN結處于反偏狀態，因此是高阻元件。常用于音響電路的結型場效應管有2SK246、2SK170等。孿生對管2SK389性能與2SK170接近，但由于兩個管是在一塊芯片上制作，因此特性相同，比分立元件的對稱性要好，無疑是較好的選擇。但較難買到而且貴。

圖2

IDSS等于3.5mA的2SK246的轉移特性曲線如圖2所示，可見其曲線較平即跨導較小，夾斷電壓較高，達-2V之多。IDSS等于10mA的2SK170的轉上移特性曲線如下圖所示，其曲線較陡即跨導較大，夾斷電壓較低，只有-0.6V左右。上述曲線可用公式ID=IDSS(1-VGS／VP)平方近似表示，式中ID為漏極電流，IDSS為漏極飽和電流，VP為夾斷電壓，VGS為柵源電壓。由此公式可見漏極電流是柵源電壓的二次曲線。從圖2、3可見，轉移特性曲線靠近Y軸處線性較好。選用不同的場效應管，工作點的選擇也不同，原則有兩條：一是盡可能選在轉移特性曲線的較為接近直線的部分，以求得對信號的線性放大。二是盡可能選在結型場效應管零溫度系數點的附近，以減少溫度變化的影響。場效應管的零溫度系數點發生在下列公式的UGS上：UGS=UP+0.63。對于2SK246GR，如IDSS=3.5mA，如圖2所示可選工作點為ID=2mA，此時可用的輸入電壓Ugs的變化范圍可達±0.5V。零溫度系數點在1.4V左右，即較接近X軸。對于2SK170BL，如IDSS=10mA，如圖3所示可選工作點IDS=4．5mA，此時可用的輸入電壓UgS的變化范圍只有±0.15V。零溫度系數點在Y軸附近。將工作點往下移，會增大輸入范圍，但也會進入非線性較大甚至到夾斷電壓的區域。至于零溫度系數點，不管是用哪一種場效應管，都是達不到的，這種共模性質的問題只能通過采用差動放大電路來解決。

圖3

圖4

根據上述漏極電流公式可知，結型場效應管的性能取決于IDSS及VP，因此可依據此兩參數進行挑選配對，單純測量IDSS是不能達到良好的配對的。測量IDSS及VP的電路如圖4所示。按鈕按下時測量IDSS，不按按鈕時測量VP，注意測的是10μA下的電壓，這是較為實際的能夠測量的電壓。

實際選用的場效應管為2SK170BL，按圖4方法實測IDSS為9mA，Vp為0.6V，工作點如上所述選在IDS=4.5mA處。

3、電路參數的計算

第一級、二級電路由“甲類”穩壓電源供電，電壓為±53V。取R1和VD1上的壓降為6.8V，之所以取這個電壓，是為了讓第二級的VT7管有足夠的工作電壓，從而能完成其恒流的作用，而同時為后面的電路留更高的工作電壓。VD1壓降為0.7V，則R1上的壓降為6.1V。R1=6.1／4.5≈1.33kΩ，QVT5為1mA恒流源電路，R3為降壓電阻，在其上降壓15V左右，以減小VT5所承受的電壓及功率，由此R3=15kΩ。R4為VT5恒流調節電阻，為調整方便，可預先單獨與VT5按圖組合，加15V電壓，調節R4直至達到所需的恒流值，然后直接焊在電路板上，不用再調整。取R7和VD3電壓為22V，此電壓基本上就是VT1、VT2的漏源電壓，由此得R7=22kΩ。由于VT1柵極接地，電壓為0V，因此VT1的源極也接近0V。從而算得VT3的壓降為53-6.8-22=24.2V。可見此時VT1、VT2與VT3、VT4的漏源電壓基本相同。VT6是第一級總的恒流源，其電流值可算得為4.5×2+1=10mA，正好使用IDSS=10mA的2SK170BL，不用加源極電阻。為了限制VT6上的電壓及功耗，選電阻R11降壓35V，使VT6電壓為18V左右。因此R11=35／10=3.5kΩ。根據電路的對稱要求，R2=R1=1.33kQ。取電阻R6=R8=33Ω，這兩個電阻對差動電路有較重要的影響，它們對各自的場效應管施加一定的負反饋，能減輕管子IDSS不同引起的工作點的不同，減小總的諧波失真，調節兩個電阻的比值，還可以對電路實行調零，但是不能補償溫漂，溫漂由IC(如TL072)構成的輸出點直流穩零跟隨器自動控制效果要好的多，因此R6、R8取兩個相等的固定的電阻。

第二級由VD4、VD5、R21、R17、VT7構成恒流源。VD4、VD5壓降為1.3V左右，于是R17上的壓降為0.65V，取第二級總電流為3×2=6mA，則R17=0.65／6≈100Ω。R18、R19也是差動電路中的發射極電阻，此處取4.7Ω。由于R1上的壓降為6.1V，VT7和R17上的壓降亦為6.1V。為了保持輸出O點電位為零，A點電位必須為1.8V，B點電位必須為-1.8V(各為3個三極管的be結壓降)，因此VT9的U＝53－1.8-6.1＝45.1V。VT11的Uce＝53－3－1.8＝48.2V，3V為3mA電流流過R23產生的壓降。為了保持電路的對稱性，VT8的Uce應等于VT9的Uce，為45V。因此R20的壓降為53×2－6.1－45－0.7－3＝51.2V。由此R20＝51／3＝17kΩ。按照這些參數，該級差動放大電路的兩臂不但電流相等而且差動管的電壓也相等，達到較好的電路特性。

R25為末級電流的調節電阻，在整個電路通電前需將其調至最大。如果在最小位置，則末級大功率管在通電之初就極有可能燒壞。為制作的簡便及聲音的清晰，末級并不采用兩個或三個大功率管并聯，而只采用單管，靜態電流取400mA，在散熱、變壓器功率容許的情況下取得O.4平方×8／2≈0.6W的甲類功率。

電阻的功率可從其電流或電壓計算而得。

如前所述，由于采用2SK170，其輸入電壓Ugs的變化范圍只有±0.15V左右，為了得到足夠的增益，取R14=47kΩ，R12＝O.47kΩ，則電壓放大倍數為100倍，在輸入幅值士0.15V時，在8Ω負載上可以得到0.15／根號2×100≈10.6Vrms電壓，及10.6平方／8≈14W的音樂功率，對一般的家庭已足夠了。場效應管Ugs在變正而不超過0.6V時柵源結仍然維持高阻狀態，對電路的工作沒有影響。采用±45V的末級電壓，電路的不削波功率可達45×45／2／8≈126W。

4.調試及實測值

電路的調試分三部分，首先調節±53V穩壓電源及其他電源，其次±53V通電，測量各部分電壓，A、B點對地電壓正常后，然后整體通電，調節R25，使R33、R34上的電壓為0.1V。集成電路TL072未接入之前，O點電位為200mV以下，接入后應降至幾個mV。

實測電路電阻及二極管兩端的電壓值如表1所示，三極管兩極間電壓及各測試點對地的電壓如表2所示，可見完全達到如上計算的要求，基本實現了差動放大電路的對稱性，各電流電壓均接近設計值。左右聲道數據接近。

5.其他電路

音調音量電路可采用LM4610制作，LM4610的電路在網上可以很方便的找到，值得說明的是，由于后級電路是直流耦合，LM4610的輸入輸出端需用4.7μF的聚丙烯耦合電容。

保護電路見圖1，由延時保護、輸出O點過電壓保護、末級管過電流保護組成。延時保護由R45、C15及VT21組成。輸出O點過電壓保護由VT22、組成。輸出O點過電壓保護由VT22、VT23、VT24等元件組成。圖中R48與R49構成分壓電路，其數值如下．輸出O點對地直流電壓Uo×47／(47+27)≈0.7V時，三極管VT23或VT24導通，Uo=1.1V，即在輸出0點直流電壓幅值1.1V左右過電壓保護動作。末級管過電流保護由VT20、VT25、VT26、VT27等組成。R42與R43構成分壓電路，在如圖數值下，末級管電流幅值Ip×0.25×10／25=0.7V時，三極管T20導通，Ip=7A，即在單管電流幅值為7A、RMS電流為6A左右時，保護動作。VT26、VT27電路等效一個晶閘管。

電源變壓器采用兩個300VA環形鐵芯，中間的孔較大，能加繞一些輔助繞組。次級繞組有35V×2(主電源)，46V×2(前級穩壓電源)，20V(保護電源)，其中一個聲道再加一個14V(LM4610的12V穩壓電源)。

6.結構特點

用1.2mm厚的不銹鋼板制作430mm(寬)×120mm(高)×405mm(深)的機箱，機箱兩側是30mm(厚)×115mm(高)×40mm(長)的鋁散熱板。用一塊不銹鋼板將機箱分為前后兩部分，前面放置LM4610的電路，所有電位器及開關的軸伸出前面板。后面部分再用一塊不銹鋼板隔開左聲道及變壓器、整流堆，后者與右聲道之間再用25mm(厚)×100mm(高)×320mm(長)的矩形截面中空鋁型材隔開，該鋁型材內部空間走信號屏蔽線。左右聲道包括地線完全獨立，地線僅在LM4610回路中才連通，以避免構成地線閉合回路，將變壓器等包圍進去，產生很大的交流干擾。為進一步減小噪聲，用25mm(厚)×100mm(高)×320mm(長)的矩形截面中空鋁型材與鋁散熱板垂直連接，左右聲道電路板均置于該鋁型材之上。大功率三極管VT18、VT19及溫度補償管VT13，及甲類電源的分流功率管用云母薄片絕緣，固定在鋁散熱板上。機殼接在電源的保護地線上，不與電路的地連接。

7.音響效果

信噪比極高，耳朵貼近音箱都聽不到交流聲或流水聲，很干凈。動態反應好，音樂解析力好，做到了干凈、清晰、自然。該電路參數穩定，確實是一款較好的電路。 

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