音质可与胆机比美的场效应管功放

   只要设计正确加上精心制作，甲类场效应管功放的音质可以做得与甲类单端胆管功放一样好。本功放的输出功率虽然不算大，但电路简洁、容易制作并采有易购的标准元件，其特点是它那悦耳的声音不禁使人联想起胆机。


■ 做一个简单比较

    本功放的设计目的不是制作一台输出功率和失真等项指标可与现代高品质音响系统抗衡的功放，而是试图通过实践证明，将现代场效应管（FET）用于胆管放大器电路组态，也可获得许多发烧友梦寐以求的胆机音质。在介绍本功放之前，让我们先将典型的EL84胆管单端功放与晶体管推挽功放做一个简单比较：

    1、胆管单端功放通常采用纯甲类放大电路，即使关完音量保持静音状态，输出管功耗仍然很大（EL84可达12W），因而胆管工作温度总是很高。与之相比，晶体管功放一般都采用甲乙类推挽放大电路，静态下输出管功耗很小。输入电平较高时两只输出管工作在推挽状态，共同分担负载，发热量也较小，但两管推挽工作如果相互接交不好就会产生交越失真。

    2、胆管工作时起电流源的作用，输出阻抗较高，对扬声器音盆运动所起的阻尼作用较小，扬声器音盆的运动要受音箱谐振率等其他因素的影响。晶体管低阻抗输出级则起电压源的作用，对扬声器所起的阻尼作用较强，可为音响系统提供更加受控制和更加平坦的频率响应，但这也意味着扬声器系统的个别声音特性受到了抑制。

    3、胆管的特性曲线不是理想的直线，而是稍有弯曲，在小音量下信号电平较低，胆管工作在特性曲线的线性段，输出信号的失真很小。音量增大时，信号的摆动幅度随之增大并进入特性曲线的弯曲段，胆管的非线性特性变得更加明显，并对输出信号起“软限幅”的作用。这种“软限幅”的声音听起来非常悦耳，而且无需施加任何总体负反馈即可获得。典型的晶体管甲乙类功放则使用大量的负反馈来减小失真和输出阻抗，当音量增大时，输出信号的幅度随之增大，直到输出信号的峰值达到电源电压为止。若进一步增大输入信号，则当驱动级晶体管在信号的峰值出现截止时就会出现“过激励”。这种情况的突然出现和输出信号的波形削顶会使声音非常刺耳和难听。因此，务必不要使晶体管功放出现“过激励”。与之相比，胆管功放能够以“对听音者更加友好”的方式更加宽容地对“过激励”做出响应。这正是其它放大器常常采用胆管放大器的原因所在，在这里胆管被故意地驱动在“过激励”状态以产生所需的不同音响效果。

■ 放大器电路

    本功放的电路见图1。整个电路设计成甲类放大器，不使用任何总体负反馈来补偿输出级场效应管的非线性特性。本功放的输出阻抗很高，以便减小扬声器的阻尼，使听音者能够听见扬声器系统的个别声音特性（即更好地展现不同扬声器系统的个性）。场效应管T1（BS170）及其周边元件组成电压增益为1、具有高输入阻抗和低输出阻抗的输入级冲器，低通滤波器R1/C1滤除有害的高频干扰信号。该级的低输出阻抗有助于克服输出级场效应管T2（BUZ72A）栅极电容对高音频信号的旁路效应。场效应管T3（BUZ72A）在这里用作恒流源，它在通过直流电流的同时将T2漏极输出的交流音频信号加到扬声器LS1两端。

  
    本功放使用24V电源电压，无需调试，因为各级的工作点是自动调节的。6V三端稳压器IC1（78L06）为T1和T2提供稳定的栅极偏压，流过各场效应管的电注骤决于各自源极电阻的阻值。T2的静态电流自动调节到1.28A，但场效应管BUZ72A的特性分布较宽，个别管子的静态电流可能稍有不同。

■ 输出驱动器

    图2是早期试制的场效应管输出级电路，每个声道只使用一只VMOS场效应管，输出变压器TR1在这里用作扼流圈。其次级绕组的电阻值小于1Ω，因此T1的漏极电流只有一小部分流过扬声器。微调电位器P1用来调节放大器的工作点。由于没有使用驱动级且功率场效应管的输入电容较大，只是在输入端连接低阻抗讯源（如CD播放机的耳机输出端）时才能在高频段成功地驱动该放大器。虽然它的音质几乎与图1的功放一样好，但需要从以下三方面进行改进：

  
    1、不使用输出变压器，而改用电解电容器将输出信号耦合到扬声器；

    2、对场效应管的栅极使用稳压器，将它的偏置电路改成工作点无需调试的自我稳定电路，并利用源极电路中的串联电阻引入少量局部反馈；

    3、为了使输入端兼容高阻抗讯源（如1.0Vpp的标准线路输入信号），在输入端增加起缓冲作用的场效应管源极跟随器。

    这样就构成图1所示的电路，该图只画出了一个声道。它与图2电路的不同点在于输出级增加了一只功率场效应管T3，这只额外的场效应管用作高阻抗电流源，并将输出场效应管的漏级偏置到电源电压的中点。分压器R8/R9为T3提供所需的4V栅极偏压，C8滤除此偏压中的交流纹波成分。C5使T3的栅极电压保持恒定，从而使该电流源具有很高的输出阻抗。加之，放大器T2也具有很高的输出阻抗，所以本功放具有高阻抗输出特性，实测的动态阻抗约为38Ω。因此，输出到低阻抗（4Ω~8Ω）扬声器的不是信号电压，而是信号电流。这点与普通晶体管功放有很大不同，但能够获得近似胆机的音质。

    由于在输出级用场效应管电流源来取代常见的输出阻抗匹配变压器，所以本功放无需对输出变压器的频率特性进行补偿。如今已很难找到合适的输出变压器或输出扼流圈，省去它们不仅降低了成本，也使本功放更容易制作，但付出的代价是整个功放的功耗增大。静态下，T2的功耗为12V×1.28A≈15W，恒流源T3的功耗与此大体相同，因此整机约有30W电能转换成了热能，必须将T2、T3装在一只热阻不大于1kΩ/W的散热器上。如果你对本功放的音质感兴趣打算做进一步的实验，可将电源电压提高到35V左右，使场效应管的漏极电流增大，但此时就使用更大的散热器并相应减小源极电阻的阻值。

    T2源极电阻R6的作用是产生局部负反馈和减小放大系数曲线的斜率而不减小输出阻抗。与之并联的网络R7/C4用来控制本功放的频率响应，R7（0.18Ω）用来设定本功放对高音频的响应，C4则用来设定低音频的响应。若要使低频响应下潜到30Hz，则从理论上说C4的容量应增大到30000μF！这样改动不仅成本高昂，而且放大器很容易低频过载而烧坏。


电源

    本功放的电源电路见图3。该电路非常简洁，很容易制作。输出电压中混入的少量纹波会被本功放输出级的恒流源所阻尼。图3中的串联电阻R1起限制C1充电峰值电流的作用，它还有助于衰减纹波电压中的高频成分。然而，本功放的交流声抑制比只有20dB，若要求完全听不见交流场，则可增加图4所示的附加电源电路。 

 

  



  
    该附加的电源电路实际上是由分离元件组成的调压器，参考电压取自电源电压的平均值，整个调压器产生的压降与整流变压器的电压数值无关。T1与T2接成达林顿管，T3/R4组成短路电流的检测电路。只需将T3装在一只足够大的散热器上，该调压器就具有短路保护功能。它本身产生的压降约1.9V，因此正常工作时的功耗小于2.5W。限制电流设定在1.9A左右，输出短路时产生的功耗约为45W。

    试验时使用一只50VA、具有两个18V次级绕组的环形电源变压器和一只10000μF/35V的储能电容器，在无附加滤波的情况下测得的输出纹波电压为800mVpp。若要进一步减小纹波，就需要提高电源电压并改变R1（6.8kΩ）的阻值，使调压器产生1V的附加压降。此外，必须考虑晶体管T1和T2的阈值，实际上T1不同的hFE可能会引起输出电压过高或过低。此时就需要改变R1的阻值来进行补偿，这是该简单电路的缺点。

    晶体管T3通过控制T1的基极电压来限制输出电流，以便使输出电流达到由R4两端压降决定的值。T2使用BD912大功率晶体管，它能承受的电流为15A，必要时也可减小R4的阻值来增大输出电流。T3（BC639）的电流是1A（峰值可达1.5A）。在27V电源电压和空载（或输出突然出现短路）的情况下，R2将流过T3的电流限制到1A，此时C1放电，R2保持较小功耗。