转：超大电流（UHC）MOS场效应管甲类功放

本帖最后由 POP 于 2012-12-2 00:40 编辑

        在日本的音响杂志上曾就日本天龙(DENON)顶级S系列几款放大器( 单声道超级功率放大器 POA-Sl 、合并式放大器PMA-Sl、PMA-SI0) 的性能作出的评价是：“高音的透明度好得惊人,低音强劲有力,在这些方面是任何放大器都无法与其相比的”。这三款放大器为什么具有如此优异的表现呢? 其原因大概在很大程度上应归功于它们的末级采用的是UHC-MOS(超大电流MOS场效应管)。
        UHC-MOS-FET 之名是由日本哥伦比亚公司命名的, 这种超大电流 MOS 场效应管最早是日立公司为了作驱动直流电机和DC-DC变换器的 高速开关器件而开发的产品, 开发时并没有想到在音频放大器领域中应用,天龙公司从中精心筛选 , 选择出造合于音频放大的UHC MOS管, 取得了极佳的效果。这种器件的突出特点 是漏极电流可达30-100A、栅源电压与漏极电流呈线性关系、Gm很高。使用 UHC-MOS-FET 的功率放大器失真较小, 比一般的场效应管功率放大器要小一个数量级。除了日立公司之外,东芝公司也生产有类似的管子。
        天龙最新推出的PMA-2000N合并式放大器改用了高耐压UHC MOS, 型号为东芝产的 2SK851 。2SK851 为 N 沟道场效应管, 目前尚无一款能与其配对的 P 沟道场效应管 , 因此天龙 PMA-2000N 的输出级采用的是目前已很少使用的准互补输出电路, 天龙PMA-2000N已获得96年度日本《MJ》TOTY 奖中的合并式放大器优秀奖。

一、 2SK851 性能

    2DK851是日本东芝公司的产品, 具有电流大, 导通电阻小,开关速度高等优点, 其最大特点是漏源耐压 Voss非常高(达200V), (而2SK1303/2SJ216和2SK1666/2SJ218的耐压都较低,2SK1666/2SJ218的耐压均为60V) , 所以没配对的P沟道管 , 漏极最大功耗为150W。在设计电路时不必为漏源电压不足, 而采用共源共基一类的电路。

对本机来说, 其输出级是电压放大级, 产生密勒效应的原因是反馈电容Crss 。为了能使Crss快速充放电, 必须在输出级前面设置一级输出电流大的驱动级。

二、电路原理

    2SK851用于Dulcet功放比1490有更好的表现 ,电源部分结构不变, 只是电压作了些改动, 以策安全,2SK851 的耐压虽然有200V, 但考虑到输出变压器的反电动势,尤其是105V充气稳压管的点火电压为l34V, 开机瞬间是危险的,当然这种机会不大,不过还是应留有裕量。输入级电源稳压用D5、D6串联电压30V,这种稳压管的噪声要小些。

    输入级仍用SRPP电路, 这种电路在电子管线路中有较多应用, 其优点是频带宽、失真小,输出阻抗低，偏置简单。在晶体管线路中只能用负偏压的耗尽型场效应管,主要为结型场效应管,增强型MOS场效应管或双极型晶体管是无法得到偏置电压(这类管于是正偏置的)而正常工作的,要特别注意。输入级用日本2S389孪生场效应管, 可用日本2SK134或美国的NPD5564这些孪生场效应管。SRPP电路用孪生场效应管能进一步减小失真,因为下面的放大管和上面的恒流源负载的特性一致,它们产生的失真和噪声能互相抵消一部分。另外, 偏置电阻(即源极电阻)相等时, 直流输出为电源中点电压, 不受温度影响。

    输入级与输出级之间加一级源极跟随器Q3, 目的是减小Q4电容的影响, 以利展宽频带。源极跟随器与输入级直接祸合, 消除藕合电容的影响 , 仅在源极跟随器与输出级之间用电容藕合,节省了两只价昂的藕合电容。源极跟随器被自然偏置于甲类状态。

    在两级放大电路中, 增益的分配具有很大的技巧性。如果第二放大级的增益比较小的话, 第一放大级 ( 输入级) 就需要输出较大的信号电压, 而这一级的偏置往往较小,所以失真增加。当增加第二放大级的增益后, 这一级的输入很小的信号, 就可以放大到足够大的电压, 这样第一放大级经反馈作用就只需要输出很小的信号, 甲类放大电路输出小信号时的失真要小得多,有利于减小整个放大器的失真。为此, 减小了Q4的源极电阻R6的阻值,相应增大Ql的源极电阻R4的阻值,即增大输出级的增益, 减小输入级的增益,保持开环增益基本不变。

    2SK851的温度系数是正值, 而且对温度非常敏感, 所以如何稳定该管的漏极电流是设计甲类功率放大器的 一个关键。在本机中,其源极电阻值小, 直流反馈不足, 更不易稳定漏极电流。如果仅用 Q5 作温度补偿式偏置电路CQ5与Q4热搞合来补偿温度), 那么, 刚开机的一段时间里, 漏极电流会高于设定电流一个相当大的数值 , 这么高的电源电压, 将导致该管偏离安全区。所以有必要用Q6、Rll、C4组成的直流伺服电路来对R6的电压进 行监控, 从而对Q4的漏极电流实行监控。但是如果只有Q6、Rll、C4而没有Q5,RS、R9、RIO组成的开机静态偏置电路, 那么,刚开机的瞬间 ,C4还没有充电,Q6是截止的,Q4饱和导通, 结果是Q4、R6都烧坏。所以Q5、RS、R9 、RIO 组成开机静态偏置电路 ,保证刚开机的一段时间里控制Q4的漏极电流在l座左右, 随C4的充电,Q6的集电极电压与Q5的集电极电压相同, 当Q4 随着温度的升高, 漏极电流增大时,C4的电压增大 ,Q6集电极电压减小,Q6从Q5接过对Q4的控制权,本机Q5与Q4不实行热偶合,Q5的集电极电压不随Q4的温度而变化。偏置电路Q5,Q6 等都相当于恒流源负截 ,才Q3没有影响。

    本机输出变压器绕制方法很简单。铁芯为片厚0.3mm, 舌宽24mm的优质E1型硅钢片, 叠厚为40mm, 初级总共200匝, 由两组100 匣串联而成; 次级sO 是100匝。用两根φO.72和一根φ1.20的双丝漆包线实行三股并绕, 辨明三个绕组的头和尾 , 然后把两个φO.72的绕组头尾串联作为初级,φ1.20的绕组是次级。硅钢片一律JI顶向镶插 ,E型和I型铁芯之间留出用胶纸嵌成的0.5mm 左右的空气隙。这样绕制出来的输出变压 器已达到相当高的品质: 频响 25Hz-30kHz ( +\- ldB) , 谐波失真20Hz- 20kHz时为 1.0% 。

三、元器件选择

    为了2SKS5l的安全, 充气稳压管QS用WY2P, 这很重要, 电源变压器扩大容量至l50VA, 实验表明,电源变压器用E1型最好,C型次之，环型、R型最差。因为滤波电容加大了, 至少是3A200V,可用整流二极管,也可用桥堆。注意R12、R13、R14的功耗。

    Rll、C4为A般器件,只是其值的乘积很重要, 决定着偏置电路低频特性, 但不可过大, 以免Q6与Q5不能很好地衔接。RS、R9用一般电阻即可 ,RIO为半可调电阻 , 用品质高些为好。Q5、Q6用NPN型的任意型号的管子, 只要可靠即可。

    R6用无感电阻, 找不到相同阻值的可以用O.22和0.47串联而成;Rl-R7,Cl-C3对音质影响很大,用高品质器件为好, 其中C2更应重视, 好在这些器件用量较小。

四、制作调整

    单端用类放大器抗干扰能力是最弱的 , 特别容易受电源纹波和电源电磁场的影响。电源电磁场主要由电源 变压器和整流管及电源线产生。就甲类放大器而言, 消耗电流犬, 需要对滤 波电容补充比乙类放大器大得多的电流, 所以整流二极管中的电流极大。整流二极管是工作在开关状态的, 电流脉冲的占空比很小,峰值电流极大 (可达直流电流的十倍以上), 不仅产生很大的纹波通过线路传递影响放大器, 还会产生极大的电磁场越空传播 ,干扰放大器。对电源的干扰不仅要在滤波稳压上下功夫, 还应在机箱结构方面引起足够的重视,因此,本机放大器与电源装在两个机箱中(单声道), 放大器机箱和电源机箱之间用一根厚铝管连接起来 , 铝管是可拆卸的, 以便于搬运, 铝管中穿直流电源线 , 放大器机箱用 3mm 铝板制成兼作散热器, 铝板有很好的抑振性;电源机箱用lmm铁板制成。2SK851和2N6768直接安装在机壳上, 注意加垫云母片, 2SK851装在铝板中心点的位置好些 , 2SK851背板与2脚即漏极相通。输出变压器 装在机箱外的上部中间,并用铁壳封起来,大部分采用搭棚焊接。注意, 电路板上的A、B、C、D、E、F、G、H、I、J块与电路图中的A、B、C、D、E、F、G、H、I、J点对应 ,采用塞跟焊。图中的虚线表示在机箱上部,在外面能看见的有Q7、充气稳压管、输出变压器铁壳和散热器。

    左右声道机箱为镜像结构右声道的输入端在左面 , 输出端在右面 , 正好相反。镜像结构有利于缩短线材的长度, 将左右声道功放摆放在前置放大器的两边后方, 则输入信号线可尽可能的短 , 喇叭线更可以缩短一各机身的长度,对信号传输特别有益。

    整机装好后( 仅输出变压器暂不连线), 检查无误,即可进行调整,调整很简单只作输出级静态电流调整。调整前先准备一台l5W以上的10V直流电源, 将其接于2SK851漏极和地间,通电调整,调RIO使R6上的电压为O.7V即可。为什么用低压电源来调整呢 ?那是因为如果用本机电源 , 那么2SK851会很快发热,不能准确调出开机静态电流, 时间长了还会造成2SK851热崩溃。一次调完即可接入输出变压器通电、完工。