纯甲类末级无反馈功率放大器

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纯甲类末级无反馈功率放大器

    本文介绍的是一种输出级采用MOS-FET、纯甲类的末级无负反馈功率放大器,该功率放大器的输出功率为100W/4Ω。
    图1是放大器的电路图,图2是电源部分的电路图。由于驱动级向输入级的反馈电路采用了电阻分压方式,所以是一个地道的直流放大器。该放大器为了提高直流稳定性。加大了从驱动级反馈回输入级的负反馈量,负反馈电路由1.1kΩ和10kΩ两只电阻组成,电压放大级的增益约为10倍。与用电容器构成负反馈电路的交流放大器相比,用电阻构成负反馈电路的直流放大器的听觉效果要更好一些。

  

一、音量控制
    该放大器为了能与CD机等声源作直接连接,在输入端增加了一个音量电位器。通常音量电位器接法如图3(a)所示,但该机采用的是图3(b)所示的电流传输型连接方式。在国3(b)的电路中由于R1选取得较大,可将包括R1在内的信号源看成是一个恒流源,通过调节R2使输出电平产生变化。这种连接方法由于滑动点接地,所以对改善信噪比有利。
 
    但音量电位器作这样连接也有它的不足之处。对信号源来说,调动音量电位器时信号源的负载将随之产生变化,增大音量时放大器的输出阻抗随之增加。当将音量减小至零时,放大器的输入阻抗则等于R1。由此可知R1是一个重要的参数,取值不能太小。
    R1取值小一些对信噪比和频率特性有利,但有可能加重信号源的负载。R1取值大一些则对减轻信号源负载有利。综合考虑之后该放大器电路的制作者认为在5kΩ~20kΩ之间选取较为适宜。于是在电路中将R1取为5kΩ。
    由于音量电位器也选用了5kΩ(也可以用得大一些)的电位器,放大器本身的电压增益为10倍,加上音壁电位器后,总的电压增益最大为5倍。

二、输人级和电压放大级
    输入级选用了东芝公司的最新型低噪声对管2SK389/2SJ109。电路中使用的是GR级管子。也可以使用BL级的管子,只是使用时应将漏极静态电流适当调大一些增至1.5mA左右。该机的漏极静态电流取为1mA。
    由于将每个输出管的静态工作电流设计为0.44A,从输出管2SK722和2SJ131的传输特性知FET栅源间的偏置电压应为2.6V左右,上下两管加起来约需5V。若再考虑到输出管源极电阻0.22Ω上的电压降,则末级的偏置电压应在5V以上。
    偏置电路参数的估算步骤如下,将2SK213/2SJ76的漏极电流取为25mA,其偏置电压为1V左右。将2SC2856/2SA1191的集电极电流取为2mA。由此计算出2SK213/2SJ76的源极电阻均为100Ω。为了便于调整将2SK213/2SJ76栅极间的电阻用2kΩ,半可变电阻和2.2kΩ固定电阻串联组成。

三、末级MOS-FET
    该机电路中末级MOS-FET原打算使用东芝公司生产的2SK405/2SJ115,由于没有购买到,所以改用了索尼公司的2SK722/2SJ131。也可以使用东芝公司的2SK1530/2SJ201(管脚与索尼管相同),或日立公司的2SK1056/2S1160(管脚从左至右为G、S、D)。若使用日立公司的2SK1056/2SJ160,电路的偏置电压过大,应将2SK213/2SJ76栅极间的固定电阻换成1kΩ。
    顺便提一句,该机为了降低噪声和减小失真,最后将流经Q7、Q8的集电极电流改为1.87mA。

四、制作
    放大器的印刷电路板如图4所示。
 
 
    输入电阻可在5kΩ~20kΩ间任意选择,音量电位器也可在5kΩ-20kΩ间选择。
    印刷电路板上输入级FET、栅极的串联1kΩ电阻可在100~1kΩ内选取。220pF、电容可在100~220pF间选取。150kΩ也可在100kΩ~470kΩ间任意选取。如果正负电源连线不长的话,电路板上的两个100uF/50V去耦电容器不用也没有什么关系。
    共源-共基电路的基极分压电阻用得大一些效果要更好一些,可以考虑改用220kΩ和100kΩ替代电路中的110kΩ、50kΩ进行分压。从改善信噪比、提高稳定性和改善CMRR考虑没有采用过去常采用的恒流二极管和稳压二极管的电路方式。
    电阻负反馈电路可根据需要选择,选择10kΩ和1.1kΩ时放大器增益为10倍,将10kΩ换成5kΩ时增益为5.5倍,换成20kΩ的话增益为19倍。当放大器负反馈量大增益较小时,为了防止放大器自激,应在图1注有*的位置接入一个2~10pF的瓷介电容器进行相位补偿。该机放大器增益为10倍,不接该电容器也不会发生自激。
    Q9、Q10栅极串接的100Ω的防振电阻可在47Ω~220Ω间任意选择。Q9、Q10源极电路中接入的.0047uF、
100Ω串联电路是防振用的,也可以用0.0022uF和200Ω串联组成。
    输出管栅极电路中所串入的220Ω电阻是防止自激振荡和保护栅极用的。可在100Ω-470Ω间选择。阻值大一些效果较好,但也不能过大,否则会与栅极输入电容构成积分电路,导致高频特性恶化。
    输出端的0.047uF、30Ω的串联电路是积分型相位补偿电路,也可以用0.033uF和10Ω串联的电路替代。
    半导体管的管脚连接如图1所示。可用2SK146/2SJ73、2SK147/2SJ72、2SK170/2SJ74直接替代2SK389/
2SJ109。同样可以用各种低噪声小信号用晶体三极管替代2SC1775AE/2SA872AE、2SC2856/2SA1191。2SK213/2SJ76可用2SK214/2SJ77、2SK215/2SJ78、2SK216/2SJ79替代,这些管子特性相同,耐压更高。
 
    末级MOS-FET除了前面提到过的代用管之外,还可以使用东芝公司的2SK1529/2SJ200,日立公司的2SK1057/2SJ161、2SK1058/2SJ162。若使用东芝公司的2SK1530/2SJ201,适当加大散热片后,使用两对管子就可满足输出功率的要求,当然此时管子的静态电流应为0.88A。

五、调试
    按下述顺序进行调试。
1、在焊接完印刷电路板后将全部VR调至中间位置。
2、检查电源电路的空载输出电压,此时应为±35V左右。
3、将电源与电路板连接好。
4、接通电源,用万用表测量Q8发射极750Ω电阻上的电压降,调整VR1使其电压降为1.4v。
5、将万用表接在④-⑦端,检查当旋动VR3时万用表所示电压能否在5V左右变动。该电压是末级偏置电压,应可在2.5V~6V间连续变化。
6、若上一步骤正常,将④-⑦端间的电压调至最小。值得注意的是,调动VR1也能变动④-⑦端间的电压,但VR1 是用来调整第二级放大级的静态电流用的。末级偏压的调整应使用VR3。
7、上述步骤全部完成后即可接入末级电路。接通电源后先调VR1使Q8发射极750Ω电阻上的电压降为1.4V。再调VR3使末级输出管的源极电阻0.22Ω两端的电压降为97mV,调VR2使放大器输出端的电压为零伏。由于上述调整相互间有影响,所以应重复几次。由于末级输出管参数的离散性,调试时应使静态工作电流最大的管子的源极电阻电压降为97mV,其余管子均小于97mV。该机制作时电阻电压降最小的为52mV。

六、特性
     该放大器的残留噪声不随输入端短路或者开路发生变化,均约0.4mV(平坦)、0.1mv(1HF-A曲线)。频率特性如图5所示,-3dB点为300kHz。阻尼系数在10Hz~100kHz范围内是平坦的,约为50左右。用20kHz方波作容性负载测试也不存在任何问题,没有出现自激现象。谐波失真率如图6所示。
 
 

    从试听结果来看该机末级采用的是MOS-FET,但声音与前面介绍过的末级采用晶体三极管的末级无负反馈功率放大器非常相似,不仔细鉴别是无法将它们区分开的。

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