場效應(yīng)管功率放大器前后級的設(shè)計與分析

廣東培正學(xué)院 隋傳國

真空管由于存在空間電荷傳輸滯后特性，放大器具有特殊的音色，溫曖柔和，尤其是重放人聲，表現(xiàn)的醇美剔透，耐人回味無窮，尤以表現(xiàn)人聲音樂情感見長。而晶體管放大器具有犀利的分析力、寬暢的頻響和強(qiáng)勁的動態(tài)，具有朝氣蓬勃、催人奮進(jìn)的感召力。

場效應(yīng)管放大器音色介于以上兩者之間，既有電子管功放聲音細(xì)節(jié)溫暖耐聽，具有感染力；低音不渾濁，高音圓潤，又兼有晶體管體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。反復(fù)比較證明，場效應(yīng)晶體管的適應(yīng)范圍大，表現(xiàn)力強(qiáng)，除具備膽管的特點(diǎn)外，對銅管樂、交響樂等各種樂器刻畫逼真，干凈利索，樂感朝氣蓬勃，氣勢磅礴，是音樂愛好者的上佳選擇。

在原電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了電路參數(shù)，對音響愛好者自己開發(fā)前后級功放具有一定的指導(dǎo)意義。

1 前級放大器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

前級放大器結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 前級放大電路圖

前級放大器采用場效應(yīng)三極管2SK30，T2接成共漏極電路以提高帶負(fù)載能力。

1.1 靜態(tài)工作點(diǎn)的確定

根據(jù)2SK30的輸出特性曲線（見圖2），當(dāng)iD=1.2mA附近時，靜態(tài)工作點(diǎn)位于中部。根據(jù)公式(1)：

IDSS為uGS=0時的漏極電流。

UGS(OFF)稱為管子的夾斷電壓。

由圖可見，IDSS=2.8mA，UGS(OFF)=-1.6V。令iD=1.2mA

帶入公式得到兩個解uGS1=-0.6，uGS2=-2.65V，uGS2與題意不符，故舍去。

圖2 2SK30的特性曲線圖

對應(yīng)地，T2的工作電流也是1.2 mA附近，處于最理想的工作狀態(tài)。

調(diào)節(jié)2SK30A的機(jī)理是：電阻Rf3與電壓放大倍數(shù)成正比，在確定了Rf3后，場效應(yīng)管T1漏極電壓（以下稱為UD1）11 V為最佳，可通過調(diào)整Rf5的阻值來進(jìn)行。值得一提的是，因?yàn)樵O(shè)計的是甲類放大器，T1是結(jié)型場效應(yīng)三極管，源極電位設(shè)計在+0.6 V，對應(yīng)的漏極電流（以下稱為ID1）在1.2 mA。如果UD1低于11 V，說明ID1大了，此時應(yīng)當(dāng)調(diào)大Rf5；如果UD1提高了，說明ID1小了些，此時應(yīng)當(dāng)調(diào)小Rf5。如此往復(fù)多次，最后確定Rf5為18 kΩ，Rf3為8.25 kΩ。

場效應(yīng)管T2組成源極輸出器，放大倍數(shù)接近1。源極電壓約為11.5 V，電阻Rf7選為9 kΩ。漏極電流約為1.28 mA。

1.2 場效應(yīng)管跨導(dǎo)的計算

場效應(yīng)管的跨導(dǎo)與靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置和特性有關(guān)。當(dāng)T1漏極電壓10.5 V時，T2源極電壓11 V，根據(jù)公式(2)：

IDQ——靜態(tài)工作點(diǎn)漏極電流，可由Tf1漏極電壓計算得到；

IDSS——uGS=0時的iD值，從場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性圖得到；

UGS(OFF)——夾斷電壓，從場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性圖得到。

根據(jù)圖1所示，夾斷電壓為-1.6V，IDSS為2.8 mA，靜態(tài)漏極電流為1.2 mA。再根據(jù)公式(2)計算出跨導(dǎo)為2.29 mS。

1.3 共源電壓放大倍數(shù)的計算

以場效應(yīng)管T1為核心組成的甲類電壓放大器，其電壓放大倍數(shù)計算公式為：

把各項參數(shù)帶入公式計算后得到前級電壓放大電路（見圖1所示）的放大倍數(shù)約等于-15.4。

1.4 最大不失真輸出電壓

場效應(yīng)管電路最大不失真電壓的求法分為最大值和最小值，當(dāng)輸入信號的正半周峰值時對應(yīng)放大器交流輸出負(fù)半周的最小值。

1.4.1 ug與us的關(guān)系

在放大器的輸入端信號增加時，漏極電流iD增加，由于Rf4的負(fù)反饋?zhàn)饔?，uS上升，使電路達(dá)到新的平衡值，iD和uS不再增加。

根據(jù)電路的交流分析：

得到：

可見，當(dāng)ug增加時，us也按比例增加。

1.4.2 可變電阻區(qū)的電壓uDS

借助仿真軟件MULTISIM，觀察輸出波形，當(dāng)出現(xiàn)失真時，即可確定可變電阻區(qū)的電壓uDS。

實(shí)驗(yàn)的方法是逐步增加輸入信號，當(dāng)結(jié)果出現(xiàn)明顯的削頂失真和削低失真時，見圖3所示：

圖3 輸入信號達(dá)到1V（VP）時的顯示結(jié)果

即可確定最大不失真輸出電壓。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)輸入信號達(dá)到1 V（VP）時，出現(xiàn)了圖3所示的顯示結(jié)果。此時，輸入信號ug=1 V（VP），根據(jù)公式(4)，uS=0.19 V。在輸入信號的正半周峰值時刻：

從輸出特性曲線上看，iD已大于2.4 mA（ugs>0 V），iD與UDS處于變阻區(qū)。

1.4.3 直流負(fù)載線方程

因?yàn)閁GS=-US

根據(jù)公式(1)，得到：

帶入直流負(fù)載線方程得到：

可見UDS與ID并不是完全的線性關(guān)系。

1.4.4 最小漏極-源極電壓uDSmin

由交流負(fù)載線方程uDS=VCC- iD(Rf3+ Rf4)

當(dāng)uDS=0時，

過uDSmax點(diǎn)和這兩點(diǎn)畫交流負(fù)載線如圖4所示：

圖4 交流負(fù)載線示意圖

在圖上找到交流負(fù)載線與VGS=0 V的交點(diǎn)，讀出此點(diǎn)的uDSmin約等于1.5 V。

因此，U=min{UDSQ- uDS0，IDQRf3}=9V。

實(shí)際上，當(dāng)幅度在8V以上時，線性已經(jīng)變差。后級放大器的放大倍數(shù)為10，也不會要求前級的幅度超過4 V。因此本放大器有充足的裕量保證它工作在線性良好的區(qū)域。

用場效應(yīng)管JFET做甲類放大器的計算較復(fù)雜，少有文獻(xiàn)記載，好在采用仿真軟件既方便又直觀。

1.5 前級放大器性能分析

采用MULTISIM軟件仿真結(jié)果如圖5所示，此時的輸入信號幅值是300 mV，輸出信號幅值4 V。仿真的放大倍數(shù)13.3，與計算得到的相差不大。結(jié)合上文的本電路最大不失真電壓幅度9 V，完全滿足后級放大電路對前級的要求。

2 功率放大電路的設(shè)計與分析

后級功率放大器的電路如圖6所示，是一個三級放大電路。第一級為差分放大電路，Tm1和Tm3是N溝道結(jié)型場效應(yīng)管，它們的特性一致，以保證漏極電流的線性良好。Tm2和Tm4是P溝道結(jié)型場效應(yīng)管，也要求特性一致。Tm2和Tm1特性互補(bǔ)，互為有源負(fù)載。這一級為雙端輸入單端輸出差分放大電路。

圖5 輸出幅度4V時的波形

由于Tm1、Tm5是反相放大器，其余都是同相放大器，所以整個放大器的反饋信號與輸入信號同相。形成共模差分放大器。

Tm2、Tm6的分析與此相同。

圖6 后級功率放大器電路圖

2.1 輸入級

N溝道結(jié)型場效應(yīng)管2SK246Tm1和Tm3具有相同的特性，組成對稱的差分放大電路，能顯著抑制零點(diǎn)漂移；只對差模信號具有放大能力，而對共模信號具有很強(qiáng)的抑制能力。輸入信號由Tm1柵極輸入，差分放大器的負(fù)反饋信號由Tm3柵極輸入。這個差分放大的輸出端只有一個，經(jīng)差分放大后的單端輸出信號由Tm1的漏極引出。

2.1.1 雙端輸入單端輸出差分放大器

當(dāng)存在反饋信號時，即為雙端輸入單端輸出差分放大器。

2.1.2 共模放大倍數(shù)

由于uin=uf，電路參數(shù)理想對稱，管子Tm1和Tm3柵源電壓增量（包含直流量的瞬時總量）相等，，漏極電流增量（包含直流量的瞬時總量）相等，；

這里，gm是Tm1的跨導(dǎo)。

RDSTm2是的漏源等效電阻，大約200 kΩ。

由于RDSTm2很大，所以uDTm1近似等于。

2.1.3 靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置

根據(jù)場效應(yīng)管2SK246的特性曲線圖7所示，場效應(yīng)管Tm1和Tm3的漏極電阻的電壓降1.5 V，漏極電流1.5 mA，對應(yīng)的柵源電壓-1 V。下一級Tm5的集電極電流0.8 mA，留在下一節(jié)展開討論。

圖7 JFET2sk246場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線

P溝道結(jié)型場效應(yīng)管Tm2和Tm4的分析與此相同，讀者可借鑒得出結(jié)論。

2.2 電壓放大級

三極管Tm5和Tm6組成推挽式電壓放大器，二者互為集電極有源負(fù)載，所以他們的放大倍數(shù)都很大。例如當(dāng)三極管Tm6基極電位下降時，其集電極電流也下降，阻抗變大，成為三極管Tm5的負(fù)載；因?yàn)榕c之搭檔的三極管Tm5基極電位也是下降的，可其集電極電流上升，放大倍數(shù)很大。此級完成功率放大器的電壓放大任務(wù)。

2.3 電流放大級

場效應(yīng)管Tm7、Tm8、Tm9和Tm10是電流放大電路。

整個放大器放大倍數(shù)是10，由反饋支路（Rm7、Rm8）決定。

3 后級功率放大器的調(diào)試

Tm1漏極靜態(tài)電流設(shè)定在1.5 mA，為的是將Tm5和Tm6靜態(tài)集電極電流設(shè)定在0.8 mA，Tm9、Tm10的源極之間的電位差的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)有兩個，一是調(diào)節(jié)Rr1，調(diào)大電阻值能減小這個電位差，反之調(diào)小電阻值能增大電位差；二是調(diào)節(jié)Rr2，調(diào)大電阻值能增加電位差，反之調(diào)小電阻值就能減小電位差。實(shí)際操作中電位差關(guān)乎大功率管的安全，設(shè)定在1 V較好。

末級放大器設(shè)計成甲乙類推挽式，為了克服交越失真，末級功率管（配對場效應(yīng)管Tm9和Tm10）靜態(tài)電流調(diào)節(jié)在10 mA左右。

結(jié)語：用場效應(yīng)管做出的功率放大器聲音有靈性，音頻飽滿，動感十足，是廣大音樂發(fā)燒友的不二之選，值得一試。