甲类放大器自制 - 全文

　　集电极截止区域内的晶体管的非线性特点，器件的关态时间。晶体管放大器的设计者希望通过用大量的负反馈来校正非线性特征，但是只有在低频率下这个方法才行之有效。在高频率情况下，反馈回路无法实现深度“负反馈”，而发生在输出的失真却因为前端电路过载而加重！

　　一般总谐波失真和互调失真的数值并不会精确地显示出输出级失真，因为测量中包含平均因素。交越失真可能达到2%，但是如果它只比波形高了5%，那么平均下来可能失真指数只是0.1%。考虑到这些错误因素，我们也就能够轻松理解，为什么两个规格完全相同的放大器产生的声音效果却截然不同。所以，为了准确地测量失真，一定要考虑到峰值失真和谐波失真。一般甲类放大器会显示出低次谐波，峰值失真也不足一般失真的两倍。而一般甲乙类放大器，会有高次谐波，而且峰值失真会达到一般失真的三倍多。

      大多数音频放大器会选择甲类电路，但是两个部分除外——驱动和输出级，在驱动和输出级，人们一般会选择乙类电路或甲乙类电路，以其取得更高的效率。在乙类或甲乙类模式下，输出级会以推挽方式运行，一路输出设备传送正极电压和电流，另一路输出负极电压和电流，当一路输出设备工作，则另一路停止。这一方案运行起来效率很高，却有两个很大的弊端：

　　乙类类放大器和甲乙类放大器输出级的另外一个问题，要归咎于晶体管的开态时间和关态时间不相同。

　　关态时间过长，上下两管都不受控，导致交越失真。

　　这是设计互补电路时典型的问题。

　　然而，甲类放大器的输出级就没有非线性问题，也没有开/ 关延迟问题。平稳的传送性能带来的是低次谐波失真，而且只要降低电源的功率，这些谐波就会减弱到几乎测量不出的程度。

　　电路图

　　在我们这个项目中，我们设计制作了一个带8Ω 负载20W 的甲类放大器。它在较广的频带宽范围内都表现良好，设计简单而且稳定，只需质优价廉的元器件和最少的测试设备即可制作完成。所用的元器件都很寻常，另外此设计能够适用于多种元件的选择，所以无需为某一特性而专门选择半导体。立体声版本的放大器的制作成本大约为200 美元。

　　基本电路结构如图1 所示，一对输入差动晶体管驱动一个电流源晶体管，形成放大器的两个电压增益级。

图1 基础电路图

　　第二个电压增益晶体管的输出驱动一个三倍射极跟随器输出级，从而产生不到100 万的电流增益。电路中的四个电流源用来同时增加频带宽和线性，之所以能实现这一点，是因为使半导体空载的电流要远远大于驱动放大器所需的电流。除了输出级之外，增益晶体管在运行时，工作点的变动很小。

　　图1 中所示的补偿电容器，用来为电路提供阻尼，消除输出的过冲和振铃振荡。它的作用于一般晶体管放大器上常用的滞后补偿恰好相反，因为它实际上是通过建立一个与伺服系统的阻尼电路——在此放大器前端可以满足自身的回路在高频率的需求，避免前端过载——相似的内部高频率反馈回路的方法来减少瞬变交互调剂。

　　实际放大器的概图如图2 所示。晶体管 Q3、6、7、13、14、15、16 构成了图1 中的电流源，他们的电流值由Q8 的活动电压源决定，Q8 通过获取R22 的回馈而稳定电路。只要将电流源系统调节好，它就会精确地追踪电流值。图3 和图4 分别展示了一对一电路板模型和扩大版的部件位置指南。除了Q5 和Q7 会用到散热器外，其他各部件的位置是自明性的。值得注意的是，在进行焊接操作时千万不要使半导体和其他元件加热过度，同时也不要用高功率的烙铁。如果使用其他型号晶体管，你可能需要用8Ω 的假负载对C7 和C4 的数值（容量）进行调节，同时用100kHz 的方波来驱动放大器。

图2

　　如果放大器有高频自激，那么增加C4 的容量，或者降低C7 的容量。

图3 一对一电路板模型

图4 PC板的部件位置图

　　在我们制作的这个放大器中，一定要给输出级安装足够的散热片，“铺张浪费”在这里没有害处，而且创造好的通风条件也同样重要。在没有电扇的情况下，每个输出晶体管要安装100 平方英寸以上的黑色镀铝散热片才行。有一个“拇指安全法则”，可以用来评估散热片的质量——将不伤到自己的情况下，看看能不能把手指放到散热片上。将散热片放到放大器的底板上，在散热片和输出晶体管之间，用一些导热硅脂贴上导热绝缘片。

　　图5展示了双路系统的电源结构，它能适应不同的电压，以便达到输出功率和负载阻抗的最优化。变压器的105V 初级分接头可以被用作8Ω 负载，115V 分接头用作6Ω 负载，125V 分接头用作4Ω 负载。再加上一根120V 的交流电线，电源最大产出可以达到每路20W/8Ω，24W/6Ω 以及28W/4Ω。为了在既定的负载下让放大器达到最优化，放大器需要重新设置偏压。如果电源中的二极管电桥没有被安装在金属底板上，它们也需要加装散热片。电源和放大器输出接口使用较粗直径的接线，其他的接口用一般接线就足够了。有一点十分重要，所有的接地线必须在接地母线的一点上分配给两条线路，接地母线必须是大尺寸的，并要与所有四个电容器相连。补充的电路信息请见图6，如果按照图6所指示的去安装接地线和电源，噪声会比较小。所有的输入接口和接地线都是与底板相隔离的。用0.1μF 的电容器将每条输入地线与底板在输入处连接起来，用以排除射频传感器。

图5 电源示意图

图6 总线图示意图

　　组装

　　用直流电压表或示波器给放大器设定偏压是非常简单的。在开启放大器之前，首先要将R16 的电阻调至最大（即偏压电流最小）。如果偏压设置得太高，负极电源的保险丝会被熔断，以防止电路被烧坏。如果在电位计的指针被调到某一头的情况下熔断的保险丝，那么请更换保险丝，将指针调到另一头，再试一次。在开启了放大器而且保险丝没被熔断的情况下，调节R16以设定偏压，最好用示波器。用示波器的话，调整偏压是通过用正弦波将放大器驱动到恰当的负载阻抗值的方式实现的。设定R16，让放大器在截取到电波正极的负载前先截取到负极的负载，然后让放大器在没有输入信号的情况下运行15 分钟。15 分钟之后，重新调整偏压，以使它电路在稍微有点过驱动时截波能够对称。15 分钟以内再重复一次调整操作，以确保散热片已经达到了热平衡。

　　如果你用的是高质量的直流电压表，调整偏压的方法也与上述步骤类似。测量一下通过R22 的电压，如果负载为8Ω，那么通过R22 的电压应该是125mV ；如果负载是6Ω，电压应该是170mV ；而如果负载是4Ω，则电压应该是220mV。在放大器预热好以后，应该慢慢地调整偏压，慢慢地调整到恰当的数值。每隔一个半小时左右，应该监测并调整一下电压。

　　制作原型放大器无需任何特别的元件，唯一需要调整的就是输出偏压电流。表1 中，列出了放大器的各种性能数据。以下是主要元件的详细说明书，见表2。

表1

表2

　　放大器对20Hz（见图7）和100kHz（见图8）方波的响应。图9 展示了在-6dB 功率电平下500 000Hz的波形。所有的测试都由无感负载阻抗引导，但是由于负载中的电抗元件，放大器的表现依然没有改变。

图7 对20Hz方波的响应

图8 对100kHz方波的响应

图9 对500kHz正弦波的响应

　　同时，由于完全的无功负载，放大器的失真特性实际上也没有变化，对比8Ω 负载和10kHz 驱动的2μF电容的谐波振幅，我们没有检测到任何明显的不同。

　　输出短路和输入过驱动不会对放大器造成损坏，无需出于稳定性考虑而增加负载，它可以在任何频率任何负载下运行。在我们选择放大器的各个元件的时候就充分考虑到了运行的稳定性，比如说，输出晶体管运行时处于它的额定电压的1/3、额定恒电流的1/10 以及损耗耐受力的1/10，以此来保证放大器能有更长的使用寿命。

　　经过大量的试听后，我们认为，这一放大器的声音纯净度，足以弥补它耗电量大的缺点。该放大器声音效果呈中性，我们发现可以将其作为评估前置放大器电路的好工具，因为它比大多数前置放大器电路要出色。它也可以用来驱动静电头戴耳机，或者用做多路放大系统的高效率驱动。