使用场效应管构成的功放电路解析

本文介绍了一款采用场效应管做前级放大制作的功率放大器，音响效果很理想。由于该功放的后级电路是一个直流耦合的电路，各级工作点的选择，尤其第一级场效应管的工作点的选择，将对电路的性能有较大的影响，因此本文着重叙述电路参数的计算及调试。

1．电路原理

图1

电路主要由两级差动放大及三级射极跟随电路组成，如图1所示。N沟道场效应管VT1、VT2构成第一级共源差动放大器，而VT3、VT4分别又与VT1、VT2构成共栅共源电路。众所周知差动放大器具有共模抑制比高、失调和漂移小的优良性能。而在共栅共源电路中，后级的输入电阻就是前级的负载电阻，由于共栅电路的输入电阻较小，使前级共源极的电压增益变小，但组合电路的电压增益主要由共栅极决定，输出电阻则主要由共栅极决定。因为前级共源极的电压增益变小，所以特别适宜于高频工作。R3、VT5、R4构成1mA的恒流源，此电流在VD3、R7上产生22V的电压，从而使VT3、VT4的栅极电压稳定在22V。由于栅源极间电压很小，VT3、VT4．的源极电压即VT1、VT2的漏源电压就稳定在22V。VT3、VT4的漏源电压也稳定在约22V。对直流而言VT3、VT4的栅极电位为22V，对交流而言VT3、VT4的栅极电位为0V，因此为共栅电路。R11、VT6构成第一级差动电路的恒流源，其作用是提高交流阻抗，提高共模抑制比。R5、C2是相位补偿元件，用于防止高频振荡。  VT8、VT9构成第二级差动电路，VT7为其恒流源。VT0、VT11为比例式镜像恒流源电路，VT11的集电极电流与VT10电流之比等于R22／R23，由于R22=R23，因此差动电流两臂的电流是相等的。

VT12、VT13为末三级射极跟随电路提供合适的工作电流点。

在输入信号为正时，R29、R30的中点以及输出O点电位为正，因此均可作为VT1、VT2差动级的负反馈电压。R38、C9构成低通滤波器，角频率为1Hz时增益即下降到1／根号2。集成电路TL072构成输出点直流稳零跟随器，其输出Uo与其输入Ui的关系为Uo=Ui+1／T∫Uidt，即Uo为Ui的比例积分，Uo作用于VT1、VT2差动级负反馈，能使O点直流电位为士10mV以下。在开环增益足够大的情况下，整个后级电路的闭环电压增益等于R14／R12。

2．场效应管的选择

结型场效应管能为音响电路带来极高的解析力，比最好的双极型晶体管甚至最好的电子管都能提供更干净、更清晰、更加自然的音乐。结型管由于其PN结处于反偏状态，因此是高阻元件。常用于音响电路的结型场效应管有2SK246、2SK170等。孪生对管2SK389性能与2SK170接近，但由于两个管是在一块芯片上制作，因此特性相同，比分立元件的对称性要好，无疑是较好的选择。但较难买到而且贵。

图2

IDSS等于3.5mA的2SK246的转移特性曲线如图2所示，可见其曲线较平即跨导较小，夹断电压较高，达-2V之多。IDSS等于10mA的2SK170的转上移特性曲线如下图所示，其曲线较陡即跨导较大，夹断电压较低，只有-0.6V左右。上述曲线可用公式ID=IDSS(1-VGS／VP)平方近似表示，式中ID为漏极电流，IDSS为漏极饱和电流，VP为夹断电压，VGS为栅源电压。由此公式可见漏极电流是栅源电压的二次曲线。从图2、3可见，转移特性曲线靠近Y轴处线性较好。选用不同的场效应管，工作点的选择也不同，原则有两条：一是尽可能选在转移特性曲线的较为接近直线的部分，以求得对信号的线性放大。二是尽可能选在结型场效应管零温度系数点的附近，以减少温度变化的影响。场效应管的零温度系数点发生在下列公式的UGS上：UGS=UP+0.63。对于2SK246GR，如IDSS=3.5mA，如图2所示可选工作点为ID=2mA，此时可用的输入电压Ugs的变化范围可达±0.5V。零温度系数点在1.4V左右，即较接近X轴。对于2SK170BL，如IDSS=10mA，如图3所示可选工作点IDS=4．5mA，此时可用的输入电压UgS的变化范围只有±0.15V。零温度系数点在Y轴附近。将工作点往下移，会增大输入范围，但也会进入非线性较大甚至到夹断电压的区域。至于零温度系数点，不管是用哪一种场效应管，都是达不到的，这种共模性质的问题只能通过采用差动放大电路来解决。

图3

图4

根据上述漏极电流公式可知，结型场效应管的性能取决于IDSS及VP，因此可依据此两参数进行挑选配对，单纯测量IDSS是不能达到良好的配对的。测量IDSS及VP的电路如图4所示。按钮按下时测量IDSS，不按按钮时测量VP，注意测的是10μA下的电压，这是较为实际的能够测量的电压。

实际选用的场效应管为2SK170BL，按图4方法实测IDSS为9mA，Vp为0.6V，工作点如上所述选在IDS=4.5mA处。

3、电路参数的计算

第一级、二级电路由“甲类”稳压电源供电，电压为±53V。取R1和VD1上的压降为6.8V，之所以取这个电压，是为了让第二级的VT7管有足够的工作电压，从而能完成其恒流的作用，而同时为后面的电路留更高的工作电压。VD1压降为0.7V，则R1上的压降为6.1V。R1=6.1／4.5≈1.33kΩ，QVT5为1mA恒流源电路，R3为降压电阻，在其上降压15V左右，以减小VT5所承受的电压及功率，由此R3=15kΩ。R4为VT5恒流调节电阻，为调整方便，可预先单独与VT5按图组合，加15V电压，调节R4直至达到所需的恒流值，然后直接焊在电路板上，不用再调整。取R7和VD3电压为22V，此电压基本上就是VT1、VT2的漏源电压，由此得R7=22kΩ。由于VT1栅极接地，电压为0V，因此VT1的源极也接近0V。从而算得VT3的压降为53-6.8-22=24.2V。可见此时VT1、VT2与VT3、VT4的漏源电压基本相同。VT6是第一级总的恒流源，其电流值可算得为4.5×2+1=10mA，正好使用IDSS=10mA的2SK170BL，不用加源极电阻。为了限制VT6上的电压及功耗，选电阻R11降压35V，使VT6电压为18V左右。因此R11=35／10=3.5kΩ。根据电路的对称要求，R2=R1=1.33kQ。取电阻R6=R8=33Ω，这两个电阻对差动电路有较重要的影响，它们对各自的场效应管施加一定的负反馈，能减轻管子IDSS不同引起的工作点的不同，减小总的谐波失真，调节两个电阻的比值，还可以对电路实行调零，但是不能补偿温漂，温漂由IC(如TL072)构成的输出点直流稳零跟随器自动控制效果要好的多，因此R6、R8取两个相等的固定的电阻。

第二级由VD4、VD5、R21、R17、VT7构成恒流源。VD4、VD5压降为1.3V左右，于是R17上的压降为0.65V，取第二级总电流为3×2=6mA，则R17=0.65／6≈100Ω。R18、R19也是差动电路中的发射极电阻，此处取4.7Ω。由于R1上的压降为6.1V，VT7和R17上的压降亦为6.1V。为了保持输出O点电位为零，A点电位必须为1.8V，B点电位必须为-1.8V(各为3个三极管的be结压降)，因此VT9的U＝53－1.8-6.1＝45.1V。VT11的Uce＝53－3－1.8＝48.2V，3V为3mA电流流过R23产生的压降。为了保持电路的对称性，VT8的Uce应等于VT9的Uce，为45V。因此R20的压降为53×2－6.1－45－0.7－3＝51.2V。由此R20＝51／3＝17kΩ。按照这些参数，该级差动放大电路的两臂不但电流相等而且差动管的电压也相等，达到较好的电路特性。

R25为末级电流的调节电阻，在整个电路通电前需将其调至最大。如果在最小位置，则末级大功率管在通电之初就极有可能烧坏。为制作的简便及声音的清晰，末级并不采用两个或三个大功率管并联，而只采用单管，静态电流取400mA，在散热、变压器功率容许的情况下取得O.4平方×8／2≈0.6W的甲类功率。

电阻的功率可从其电流或电压计算而得。

如前所述，由于采用2SK170，其输入电压Ugs的变化范围只有±0.15V左右，为了得到足够的增益，取R14=47kΩ，R12＝O.47kΩ，则电压放大倍数为100倍，在输入幅值士0.15V时，在8Ω负载上可以得到0.15／根号2×100≈10.6Vrms电压，及10.6平方／8≈14W的音乐功率，对一般的家庭已足够了。场效应管Ugs在变正而不超过0.6V时栅源结仍然维持高阻状态，对电路的工作没有影响。采用±45V的末级电压，电路的不削波功率可达45×45／2／8≈126W。

4.调试及实测值

电路的调试分三部分，首先调节±53V稳压电源及其他电源，其次±53V通电，测量各部分电压，A、B点对地电压正常后，然后整体通电，调节R25，使R33、R34上的电压为0.1V。集成电路TL072未接入之前，O点电位为200mV以下，接入后应降至几个mV。

实测电路电阻及二极管两端的电压值如表1所示，三极管两极间电压及各测试点对地的电压如表2所示，可见完全达到如上计算的要求，基本实现了差动放大电路的对称性，各电流电压均接近设计值。左右声道数据接近。

5.其他电路

音调音量电路可采用LM4610制作，LM4610的电路在网上可以很方便的找到，值得说明的是，由于后级电路是直流耦合，LM4610的输入输出端需用4.7μF的聚丙烯耦合电容。

保护电路见图1，由延时保护、输出O点过电压保护、末级管过电流保护组成。延时保护由R45、C15及VT21组成。输出O点过电压保护由VT22、组成。输出O点过电压保护由VT22、VT23、VT24等元件组成。图中R48与R49构成分压电路，其数值如下．输出O点对地直流电压Uo×47／(47+27)≈0.7V时，三极管VT23或VT24导通，Uo=1.1V，即在输出0点直流电压幅值1.1V左右过电压保护动作。末级管过电流保护由VT20、VT25、VT26、VT27等组成。R42与R43构成分压电路，在如图数值下，末级管电流幅值Ip×0.25×10／25=0.7V时，三极管T20导通，Ip=7A，即在单管电流幅值为7A、RMS电流为6A左右时，保护动作。VT26、VT27电路等效一个晶闸管。

电源变压器采用两个300VA环形铁芯，中间的孔较大，能加绕一些辅助绕组。次级绕组有35V×2(主电源)，46V×2(前级稳压电源)，20V(保护电源)，其中一个声道再加一个14V(LM4610的12V稳压电源)。

6.结构特点

用1.2mm厚的不锈钢板制作430mm(宽)×120mm(高)×405mm(深)的机箱，机箱两侧是30mm(厚)×115mm(高)×40mm(长)的铝散热板。用一块不锈钢板将机箱分为前后两部分，前面放置LM4610的电路，所有电位器及开关的轴伸出前面板。后面部分再用一块不锈钢板隔开左声道及变压器、整流堆，后者与右声道之间再用25mm(厚)×100mm(高)×320mm(长)的矩形截面中空铝型材隔开，该铝型材内部空间走信号屏蔽线。左右声道包括地线完全独立，地线仅在LM4610回路中才连通，以避免构成地线闭合回路，将变压器等包围进去，产生很大的交流干扰。为进一步减小噪声，用25mm(厚)×100mm(高)×320mm(长)的矩形截面中空铝型材与铝散热板垂直连接，左右声道电路板均置于该铝型材之上。大功率三极管VT18、VT19及温度补偿管VT13，及甲类电源的分流功率管用云母薄片绝缘，固定在铝散热板上。机壳接在电源的保护地线上，不与电路的地连接。

7.音响效果

信噪比极高，耳朵贴近音箱都听不到交流声或流水声，很干净。动态反应好，音乐解析力好，做到了干净、清晰、自然。该电路参数稳定，确实是一款较好的电路。 

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