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用分立元件设计制作功率放大器教程DIR,power amplifier DIY process
关键字：功率放大器,放大器设计,功放电路,功放制作
然而，由于恒流源限制了激励极处于截止状态时所能提供的最大电流，提高电源电压后并不能相应的提高输出幅值。虽然相应增加恒流源电流可以提高输出幅值，但却使激励极静态工作电流也相应增大，稳定性变差。较好的办法是引入镜像电路，采用上下对称的差动电流放大方式驱动后面的互补对称功率放大管工作。图⑦即是采用上下对称差动电流放大方式作激励极的功率放大器实用电路，因输出功率较大，为避免过载损坏器件，电路中加进了限制最大输出电流的保护功能。其中，BG4和BG5构成的镜像电路，可使BG5的工作电流Ic5与BG4的工作电流Ic4保持完全相等，进而对驱动BG6。实现由BG6、BG7构成上下对称的差动电流放大方式。这样，即可保证在上半波信号需要激励极提供更大驱动电流时，BG6也同步能输出更大的驱动电流给后极功率放大管。要达到同样目的，人们也可以采取再并联一对互补对称的前置差动放大器，由它实现对BG6的驱动。但由于镜像电路对元件的要求没有前置差动放大器高，采用两对前置差动放大器并不能对整个电路提高任何性能，大可不必使用那种多花代价的笨办法。该电路的调整方式与图⑥所示的使用恒流源的功率放大器电路完全相同。
从工作原理上考虑，采用上下对称差动电流放大方式作激励极的电路已无缺陷。但由于大功率三极管的特性并不理想，在输出电流达到1A以上时，电流放大倍率只有10～25，将使得驱动大功率三极管工作的互补管必须提供超过200mA以上电流给后极。互补管本身的功耗经常超过2W，发热严重，互补管也需要另外装散热器。在电子元件厂家已经研制生产出大功率达林顿管的情况下，改用内部已做成复合管的达林顿管作最后级电流放大管，可以大大减轻对互补管的输出驱动电流要求。如SGS公司生产的TIP系列大功率达林顿管，在输出电流达到2A以上时，电流放大倍率也能达到500以上，从而只需要互补管提供20mA以下驱动电流给后极工作，互补管本身的功耗降低到0.2W以下。需要修改的设计参数只是根据达林顿管的门坎电压等于普通三极管门坎电压的2倍，把提供静态工作电流的偏置分流电阻R18、R19增加一倍阻值，以便保持互补管的静态工作电流不改变。同时互补管BG9、BG10基级间的电压降比先前增加一只普通三极管的门坎电压，它对电路静态工作电流的调整方式毫无影响。
由于达林顿管不是专为音频功率放大器研制的器件，工作频率上限并不很高。普通大功率三极管的频率上限只达到1MHz，专为音频功率放大器研制的大功率三极管也只能达到10MHz，最好的不超过100MHz。虽然音频范围只有10Hz～20kHz，可是三极管的电流放大倍率与工作频率相关，处于工作频率上限时，电流放大倍率会下降到1倍。这使得工作频率上限低的三极管对20kHz高音的放大能力比2kHz中音的放大能力要低，也就导致开环状态下高音与中音的电流放大倍率已经不保持相同。而闭环负反馈对整个音频保持相同的取样倍率，并不改变混合信号里高音电流放大倍率比中音电流放大倍率低的状况，从而使混合信号里的高音实际比中音的放大倍率要低。所以，使用工作频率上限高的大功率三极管，可使混合信号里高音电流放大倍率比中音电流放大倍率下降得要少。如果使用频率上限只达到1MHz的大功率三极管制作音频功率放大器，将感到8kHz以上的高音成分严重不足。故此，国外的电子元件制造厂已经在20世纪90年代研制出性能超群的音频功率放大器专用大功率三极管。日本三肯公司制造的三肯管是最早出名的音频功率放大器专用大功率三极管，但它们都不是达林顿管，需要性能同样超群的中功率来做驱动前极，而且要给驱动前极中功率安装散热器。
到20世纪80年代后期，人们研制出性能更高的大功率场效应管。任何大功率场效应管的工作频率上限也能达到100MHz，但因起初缺少高工作电压的大功率场效应管，生产厂家制作输出功率超过40W的功率放大器还是以选用大功率三极管。实际上，使用大功率场效应管制作功率放大器比使用大功率三极管制作功率放大器更方便。但需要特别注意一点，虽然效应管是电压控制型器件，但大功率场效应管的输入栅极与源极之间存在较大的结电容，可达到800P左右，因此在工作频率较高的状况下同样要提供5mA～10mA充放电驱动电流。窜联在栅极前的电阻会影响对输入结电容的充放电，阻值尽量取小。图⑨即是采用大功率场效应管的实用功率放大器电路，由于某些大功率场效应管栅极没有内置限压保护稳压管，特地在电路中加入了限压保护稳压管。使用没有内置限压保护稳压管的大功率场效应管，焊接时必须先用导线将栅极与源极短路，焊接好大功率场效应管和限压保护稳压管后才能将栅极与源极间的短路导线去除。采用大功率场效应管设计的功率放大器，调试方式与采用大功率三极管设计的功率放大器完全相同。
需要注意的是，大功率场效应管的门坎电压在2V～3V之间，（三星公司生产的大功率场效应管门坎电压多为2V），大功率场效应管的实际工作电压不要超过最大允许电压的一半值，最大工作电流峰值不要超过允许电流的2/3方能确保安全可靠工作。这个要求已经比对三机管的要求宽很多，三机管的实际工作电压也不能超过最大允许电压的一半值，而三机管的最大工作电流峰值不能超过最大允许电流的1/3方能正常工作。大功率场效应管还有一个极大的优点是温度稳定性能十分良好，从25℃～125℃，工作特性几乎完全相同。所以使用大功率场效应管时，散热器上的温度也可以相应允许高到90℃，而三极管还存在二此击穿的可能，实际允许工作的温度应限制在70℃以下。
四、使用多组电源供电高效功率放大器
没有把输出端中点电压严格控制在要求理想数值状况下，功率放大器只能使用单电源供电，中点电源采用自动跟随的浮动方式实现。只要给足够大容量的储能电容，实际输出能力与使用双电源的OCL输出方式并无区别。之所以要采用OCL输出方式，除了面可以进一步设计出性能更好功率放大器外，更大的实际意义是使用正负双电源供电的OCL输出方式可以进一步降低电路背景噪声。在功率放大器前置信号输入级采用差动放大电路后，输出端直流电平已经能与信号输入端直流电平保持基本相等，相差小于±0.2V。在这种状况下，将信号输入端直流电平偏置电阻连接到正负双电源中点电位上，就可以把单电源供电的OTL输出方式改成使用正负双电源供电的OCL输出方式，不再使用自动跟随的浮动中点电源。其实，使用运放IC做前置信号输入级能使输出端的直流电平与信号输入端直流电平保持几乎相等，相差小于±0.02V，正是因为运放IC内部也采用差动放大电路做输入级，而且一般都采用复合管方式的差动放大电路做输入级，从而使流进或流出IC正、负输入端的静态电流低于0.1μA，在负反馈电阻上的静态直流压降已低于0.01V。若能找到特性非常一直的配对管，当然也可以采用复合管方式的差动放大电路做输入级，使输出端的直流电平与信号输入端直流电平保持几乎相等，相差小于±0.02V，特性极其一致的配对管需要在一片半导体材料上做成，这正是运放IC的制作工艺优势。简言之，仅仅把OTL输出方式改成OCL输出方式，在电路设计上没有任何提高。实际上，以甲乙类工作方式制作的互补对称式功率放大器存在一个缺陷，就是最后级大功率电流放大管的静态处于接近截止区位置，无论使用大功率三级管，还是使用大功率场效应管，在截止区附近的动态电阻都明显比线性区的动态电阻要大得很多，实际可以相差数倍到10多倍。静态电流越小，动态电阻越大。当放大器输出电压归零时，喇叭振动盆还会继续作阻尼振动到停止。音圈在磁场中运动产生的电流将阻碍喇叭振动盆自由振动，如果与音圈串联的放大器内阻比较大，就会使音圈在磁场中运动产生的电流减少，降低电阻尼作用，振动盆的阻尼振动就不容易停止下来，发出的声音出现“拖泥带水”的发散收不住状况。与此同时，中低音单元喇叭的音圈在磁场中移动所产生的感应电流不能被功率放大器尽可能短路掉，会成为妨碍中高音单元喇叭工作的干扰驱动信号。甲类放大器之所以有较好的重放音质，奥妙就在于它具有很低的静态输出阻抗。但由于甲类放大器功耗大、发热严重，不宜在大工作电压下采用。为此，可以在使用高低两组正负电源供电的方式下对最后级大功率电流放大管的工作状态实施动态偏置，使放大器输出电压幅度小于4V时大功率电流放大管工作于甲类状况，输出幅度大于4V时变换为乙类状况。由于轮流处于工作中的大功率电流放大管始终是在大电流状态下工作，实际效果与纯甲类工作方式相同。
图⑩即是采用大功率达林顿管设计的高效率动态偏置甲类功率放大器典型电路，为了较好的实现动态偏置，T1、T2上下两只大功率达林顿管采用互补管，以便增加偏置电路上的门坎电压。要求两只互补管特性参数完全相同，实际电流放大倍率相差不要超过20%。因动态偏置是在每一个半波输出信号经过4V参考值进行变换，要求动态偏置变换速度必须比输出信号上限20KHz频率至少高100倍，光电隔离变换器件的响应频率至少应达到1MHz，所使用的二极管也必须采用高速管。当输出信号电压处于±4V以内时，光电输出端三极管处于截止状态，两只互补大功率电流放大管被偏置在1A静态电流下工作，而当输出信号电压超过±4V时，光电输出端三极管处于导通状态，两只互补大功率电流放大管被偏置在10mA静态电流下工作。但由于输出信号电压超过±4V时，大功率电流放大管的工作电流必须超过0.5A，4Ω负载时必须超过1A，实际也等同于甲类工作方式。与此同时，在输出信号电压处于±6V以内时，BG11、BG12处于截止状态，T3、T4达林顿开关管也截止，T1、T2两只互补大功率电流放大管是由±8V低压电源供电。而在输出信号电压超过±6V时，BG11、BG12处于导通状态，T3、T4达林顿开关管也导通，T1、T2两只互补大功率电流放大管改由±30V高压电源供电，从而使大功率电流放大管的功耗降低。
在N道沟和P道沟高压大功率场效应管都很容易购买到的情况下，可改用大功率场效应管来制作高效率动态偏置甲类功率放大器。同样，T1、T2上下两只大功率场效应管要采用互补管，要求两只互补管特性参数相同，实际的电流放大倍率相差不要超过20%。由于使用动态偏置工作方式，偏置电路的参数调整稍微复杂一些。具体方式与前面介绍的方法相同，先把T1、T2由R11、R12串联确定出的1A静态电流调节出来，再适当分配二者的实际阻值，使R12处于短路时T1、T2的静态电流为2mA～10mA。即不要完全截止，也没必要调大。
鉴于动态偏置甲类功率放大器的最主要目的是要降低放大器本身的输出内阻，在上下大功率电流放大管中不宜串联限流保护电阻，对放大器最大输出电流的限制特改设计在电源部分电路之中。这样，与动态偏置甲类功率放大器匹配使用的高低两组正负电源也同时都设计成稳压电源。参见图12，使用大功率场效应管制作供功率放大器使用的稳压电源非常简单，功率放大器对电源电压的准确值要求不高，使用大功率场效应管制作的简单稳压电源完全能达到要求，同时还可以获得很好的电子滤波效果，可大大降低从电源带进来的杂波噪声。
必须明白，每一只大功率器件都受到最大功耗的使用限制，尤其在温度明显升高的状况下，最大允许功耗将大大降低。把功率放大器的电源设计成稳压电源，除了能使功率放大器电路处于稳定状况下工作外，由稳压电源调整管分担掉一部分功耗，可减轻由功率放大管承担的无用功耗，使功率放大器发挥出最大工作能力。在缺少大功率器件的时代，只能使用简单的整流电源，结果使放大器实际能够输出的功率比理论计算值小得很多，原因就是功率放大管的最大允许功耗已经被无用功耗占去太多。
五、结束语
如果仅从对功率放大器性能的完美追求上去考虑，我们还可以把许多只功率放大管并联起来工作获得更高的性能。然而这乃是在用高投入成本来获得实际效果增加不多的笨蛋干法。事实上，当人们把功率放大器的输出功率制做得很巨大时，它也成为中高音单元喇叭的致命杀手！而且使用级后分频方式，在使用到高中低三个单元喇叭的情况下就开始明显表现不佳，级后分频方式仅能在二分频情况下表现得比较良好。只有改为采用级前分频方式来设计制作音频功率放大器，我们才能从根本上克服级后分频的缺点，并根据不同工作频带范围要求选用适合的器件，以最少的制造成本获得最高的效果。
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