基于场效应管的功率放大器设计

摘要：用场效应晶体管设计出有胆味的音频功率放大器。前级采用单管、甲类，后级采用甲乙类推挽放大技术。实验证明差分放大器使用的对管的一致性与整机的失真程度密切相关。从听音效果来看，末级电流200mA是理想值。

前后级间耦合电容对听音影响较大，要求质量高些。

对于音频功率放大器而言，最好听的莫过于甲类放大器。根据频率分析的结果，由集成运算放大器构成的前级声音单薄、缺乏活力。所以，可不可以前级采用单管甲类放大器，后级采用甲乙类功率放大器?这样既兼顾听音需要，又兼顾效率的需要。目前，电子管音频功率放大器仍然占据着音响器材高端市场。能不能用场效应晶体管(FET)，实现电子管放大器那样的醇厚悠长的声音呢?笔者在晶体管功率放大器打摩的基础之上，做出以FET为基础的放大器，取得了有胆味的音乐效果。

1 以场效应晶体管为基本元件的放大器优势明显

就目前在放大器中使用的3种元件而言，晶体管的输入阻抗太低(大约1 k左右)，电子管的输入阻抗很高，但输出阻抗也高，为此，还要增加一个输出变压器。使体积较大，耗电也大。所以说两者都不是理想的输出管。总体来看，场效应管具有很高的输入阻抗，也能输出大电流，很适合应用在单端A类放大器中。中频饱满，细腻流畅，弹性十足。用场效应管制作的放大器能产生震撼人心的低频轰炸声。

1.1 失真低

场效应管的失真度低于晶体管，比胆管略大一些。且多为偶次谐波失真，反使听感更好，高中低频能量分配适当，声音有密度感，低频潜得较深，音场较稳，透明感适中，层次感、解析力和定位感均有较好表现，具有良好的声场空间描绘能力，对音乐细节有很好的表现。

场效应管的跨导的线性较好。线性区域宽广，与电子管的传输特性十分相似。较好的线性就意味着有较低的失真。

1.2 噪音低

场效应管的噪声是非常低的，噪声系数可以做到1 dB以下。以2SK30为例，在VDS=15 V，VGS=0V，RG=100 kΩ，f=120 Hz测试条件下，噪声系数的典型值是0.5 dB。噪声系数的定义是系统输入信号的信噪比除以系统输出信号的信噪比，用分贝表示：

NF=20*log([Si/Ni]/[So/No])

Si=输入信号的功率

So=输出信号的功率

Ni=输入噪声功率

No=输出噪声功率

1.3 稳定性高

我们知道，甲类功放热效率低，产生的热量占整个消耗的功率百分之七十以上。电路的热稳定性受温度影响较为明显。如果电路的热稳定性差，会导致听音效果不正常。这使得大多数音响发烧友望甲却步。影响电路稳定性的主要环节是放大电路的电流放大部分，也叫输出级。双极型晶体管集电极电流具有正的温度系数，即他的集电极电流会随着温度的升高而升高。场效应管恰恰相反，具有负的温度系数，即

他的漏极电流随其结温的升高而下降。推动级及输出级用双极型晶体管就要用到温度补偿电路，才能保证输出晶体管的静态工作点不随环境温度的变化而变化。而用场效应晶体管就可以省去温度补偿电路，从而大大地提高放大器的稳定性。

2 以场效应晶体管为基本元件的放大器的电路结构

2.1 前级的构成

场效应管单管甲类前级放大器见图1。Tn源极电位实测为0.5 V，漏极电位为5.0 V，漏极电流IDSS等于1.25 mA。根据2SK30AMT出厂说明书载明的相关内容，该工作点的线性最好。

该级放大器放大倍数依据公式Au=-gmRf3计算，式中gm——场效应管的跨导。

2SK30AMT在VDs=10 V，VGS=0 V时的最小跨导gm=1.2ms。那么该级放大器放大倍数为6.72。

音量调节通过进阶开关加11个固定电阻进行，每个电阻10k。这样做的好处是既经济，质量又好。音量调节实为10级，听音效果十分理想。

第二级放大电路作源极输出器，旨在匹配电路，提高前级的负载能力，放大倍数近似为1。静态工作点仍然十分重要，Tf2源极电位实测为5.5 V，位于电源电压的中值附近，很好。在该级上，同样可算出漏极电流2.75 mA，也要满足甲类放大器对静态的要求。

隔直电容C17，C18对音质的好坏影响较大，选用进口名牌WIMA电容。

2.2 后级放大电路仍采用推挽式、甲乙类放大器

对称放大电路所用元件要检测其静态特性。功率放大电路如图2所示。

以Tm1和Tm3为例，其检测参数主要是IDDS，即当VGS=0时的漏极电流。在VGS=0时，测出IDDS，其值相近为宜。同样地，Tm2和Tm4也要与Tm1或Tm3静态值相差无几，或相近。只有这4个场效应管静态值大致相同，才有可能做出优质的放大器来。成批生产的放大器价格很高，正是这些电路中使用的元件匹配困难，造成制造成本高，制约了该技术的推广应用。

这4个场效应晶体管匹配至关重要，只有它们的静态特性一致，才能保证后面大功率放大元件工作的准确和安全。推动级和输出级对应对管的互补性要求与差动放大器完全相同，这里不再赘述，请读者参考前文所述内容。

2.3 整机的调试

末级(Tm9和Tm10)电流的静态值的设置对听音效果影响较大，大一些，声音温暖，柔和一些，但效率降低。过大，闹不好会损坏功率器件。调节Rm22能改变Tm7和Tm8的栅极电位，进而影响到Tm9和Tm10的栅极电位及末级电流。最初通电调试时，最好先从电路上取下Tm9和Tm10两只大功率场效应晶体管。调节Rm22时，眼睛紧紧盯住中点电位(VB)，如果VB大于0 V，则增加Rm22，反之，则减小Rm22。调好中点电位后，再安装上Tm9和Tm10两只大功率场效应晶体管，以确保大功率元件的安全。

Rm3和Rm4两端的电压降以2 V为好。太高会造成后级(Tm9和Tm10)静态电流过大;太低会使声音失真明最。调节Rr4能调节这个电压。