6N3+LM4780功放制作

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6N3+LM4780功放制作

功放制作——胆前级
    今天终于把毕业论文交出了。两周前开始画功放的电路图,心里一直想着这件事情,已经拖了不少时间了。主要原因是一直没有找到漂亮的电路图绘制工具。总觉得 Protel、Visio 画出来的电路不好看。Protel 元件比例不协调,Visio 有些格点自动捕捉功能太霸道了,而且在两条导线交叉时会自动加上难看的桥形跳线符号(可能是我不会用)。也试过 SmartDraw,觉得也是自动捕捉功能太要命,鼠标一靠近元件就被捕捉过去了,得非常小心才行。后来,还是决定使用 Johns Hopkins University 开发的 Xcircuit。它必须在 Linux、Unix 下用,所以为此还学了 Linux。从而也就改变了以前觉得 Linux 特费事的观点,装一个 ubuntu 比装 windows 还省事,office、播放器什么都不用单独装,系统装完就完全可以用了。杀毒软件也免了。使用后发现,用 Xcircuit 可以直接画出 ps 的文档,全都是矢量图,缩放没有失真,而且自己觉得看上去和国家半导体、德州仪器元件数据手册上的电路图风格有些相似了,嘿嘿。
    言归正传,上次介绍的功放采用了如下的电子管前级电路。
  
    该电路事实上是一个SRPP电路和阴极输出器的级联,两者之间直接耦合。对于我们这一代人来说,晶体管电路已经先入为主,一下子可能还不能接受电子管电路。实际上,电子管电路实现的是和晶体管电路同样的功能。下图是实现同样功能的电子管共阴极放大器和晶体管共射极放大器。
 
而下图是实现同样功能的电子管阴极跟随器和射级跟随器。
 
    虽然说功能相同,但是电路上还是有很多不同。
    首先,电子管的工作电压比晶体管高得多,前者为数百伏,后者仅需几伏。显然两者不能直接替换。
    第二,电子管依靠阴极受热后发射电子,屏极(阳极)加有高正电压,可以收集这些电子。如果屏极相对阴极加负电压则屏极排斥电子,没有电流产生,这就是电子管二极管的整流原理。所以,电子管要工作需要加热,这一般通过给靠近阴极的灯丝通电来实现,否则电子管不能工作。这也是电子管发热大的原因。
    第三,三极管工作原理是是在阴极和屏极间用细金属丝网加了一个栅极,屏极加正高压时,栅极上加一个很小的负电压就能够使减小屏极电流,达到控制屏极电流的目的。所以于NPN型晶体管放大电路需要在基极加正向偏置不同,电子管正常工作时栅极和阴极之间的电压是负电压(负栅压)。这使得电子管有一种非常方便的偏置方法——阴极自生偏压:
 
    电路中 Rk 由于阴极电流,会产生几伏的压降。由于栅极通过电阻接地,栅极就自然产生了相对于阴极的负栅压。这种偏置方法还有自动稳定的作用。例如某外界原因导致阴极电流(就是屏极电流,栅极电流为零)变大,则栅压自动变负,阴极电流又自动变小。但是高档的电子管放大器是不这样偏置的,因为这样偏置不精确。通常使用电阻分压网络实现。当然没有了上述稳定性。
    这个前级使用了一个SRPP(shunt regulated push-pull)电路。这个电路的特点是高频相应好。我们知道,晶体管共射放大器的上限频率由晶体管发射结分布电容和发射极负载电阻的乘积决定。当晶体管确定时,分布电容就定了,那么要提高上限频率,只能增大负载电阻。选用普通电阻自然不能增大太多,否则电路工作点就不对了。于是人们就用有源负载,比如用恒流源,交流电阻很大,整个电路增益高、频响好。现在集成电路都是这么做的。类似地,电子管电路也能这样变化。例如将共阴放大器和阴极跟随器的级联变成 SRPP 电路:
 
可以看出,通过 SRPP,取消了 V1 的屏极负载电阻 Ra,这使得 V1 的负载电阻变大了。也就拓宽了频响。顺便说以下,这种共阴放大器的增益可以表示为 A = g R,其中 g 是跨导,R 是电子管阳极内阻和外部屏极负载电阻的并联值。由于阳极内阻的存在,增大负载电阻并不能无限制地提高增益和拓宽频响。

功放制作——石后级
    这个功放采用了集成电路的后级,也算是石后级吧。主流的高保真音频功率放大器都采用互补全对称晶体管电路,通过精心配对元件,获得电路的对称性,所有的NPN管和PNP管都是配对的。这相当于是用分立元件搭出一个运算放大器来。而且,这种分立元件放大器具有集成运放不具有的优势,分立元件的工艺可以造出集成工艺所无法制成的高频大功率晶体管来。尤其是大功率PNP型管,集成工艺目前还达不到分立元件的水平。所以集成功放芯片一般使用准互补输出,也就是以一个中功率PNP管推动一个大功率NPN管,来替代大功率PNP管。这样导致电路不是完全对称,所以会有一些非线性失真。但是,集成功放的增益可以很大(如100db),用深度负反馈能够补偿这种失真。
    高保真发烧友们接受集成功放的不多。但是它的成本低、制作容易、调试简单的优势吸引了我。而且,前些年用LM3886装过一个2*50W合并式功放,对它的音质相当满意。2004年,美国国家半导体又推出了大功率集成功放LM4780,又使我萌生了制作更大功率功放的念头。这个功放的后级电路如下图所示。
 
    我们还是先介绍一些功放后级电路的基础。事实上,功放前级关心的是增益,后级关心的则是带负载能力。通常的扬声器阻抗都是8欧,若要产生10W的输出,后级的电流输出能力就必须大于1A。就这一点,集成运算放大器就不能胜任。所以必须加接电流放大级。这些电流放大级的电压增益甚至不到1,一般都是使用射级跟随器。功放后级的输出方式后变压器输出、OTL(Output TransformerLess,无输出变压器,下图(a))、OCL(Output CapacitorLess,无输出电容,下图(b))、BTL(Bridged TransformerLess,桥式,下图(c))等几种。变压器输出一般用于电子管后级很少用于晶体管电路,后三种在晶体管和集成电路后级中广泛采用。
  
    OTL电路采用单电源即可工作,所以在便携式功放中很常用,如果不加输出电容,则稳态时输出电压为0.5Vcc,所以输出电容不可省去。但是输出电容也影响了电路的低频响应。为了提高低频响应,OCL电路使用对称双电源供电,使稳态输出为0V,省去输出电容。这时,加在负载上的最大电压为Vcc。这样电源电压利用率偏低,因为整个电源电压为2Vcc。提高利用率的方式是使用BTL电路,负载接在电桥中,两端的最大电压可达2Vcc,相同供电电压下输出功率是OCL的四倍,但是元件数量翻倍。下图示出了BTL电路的原理。每次都是电桥对侧桥臂上的管子同时导通和截止。由于负载中点电压始终在0V,我们可以把BTL电路看成是两个等效负载为0.5RL的OCL电路。
 
    现在没有人会用分立元件组装BTL后级,因为与其消耗多一倍的元件搭建电路,不如把电源电压提高一倍来提高输出功率成本低廉。但是,集成电路工艺限制了集成功放芯片供电电压的提升。LM4780的极限工作电压为+-42V,已经是很高了,通常工作在+-35V,这时的输出功率在50W(8欧负载)。要想获得100W以上的输出功率,只有考虑BTL电路了。顺便说一句,现在的便携式设备如果有扬声器,也偏向于使用BTL,因为电池电压低,要提高功率,使用BTL是上策,因为在集成电路里多做一个放大器成本也增加不了多少。用集成放大器实现BTL的方法可以有以下两种。
  
    图(a)是比较直接的想法,两个增益互为相反数的功放推动一个负载。但是这样做有一个缺点,我们知道运放接成反相放大器(A2)时输入阻抗很低,这就会对电子管前级造成比较重的负载引起失真。如果前级是运放就没有问题。因而我们用(b)电路,A1在放大的同时起到缓冲的作用,另外用一个增益为-1的缓冲器产生一个反相输出信号驱动负载,达到同样的效果。

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