“简洁至上”的晶体管甲类音频功率放大器

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的负反溃当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