20W超低失真A类功放（上）

Hi--Fi制 作 宣 20W超低失真A类功放(上) 陆全根 目前绝大多数家用高保真功 率放大器，主要采用甲 (A)类、 乙 (B)类及介于A、B类之间的 甲乙 (AB)类3种工作组态。对 于A类功放的音质，无疑是最受 称赞的。自从有放大器以来，几乎 听不到有相左的声音。只是由于 它的效率低，特别是在低功率输 出状态工作时效率非常低，因而 额定输出功率做不大，才使许多 崇尚大功率输出的发烧友忍痛割 爱。也正因如此，市场上的 A类 功放商品机很少，几乎均为国外 的顶级产品。尽管输出功率 不大，但售价昂贵，令人无奈。 本文特向读者推荐一款国外 供 DIY的A类 20W x 2功率放 大器，其实测性能足以与顶级商 品机媲美。 一 性能指标 在说明电路之前先来看它的 性能指标： (1)输出功率为20W／8Q(纯 A类)； (2)频率响应为 1．5 HZ～ 190kHz(-3dB)，20Hz(0dB)／ 20kHz(一0．2dB)； (3)灵敏度为625rnV (满功 率输出)； (4)输入阻抗为10k Q； (5)额定 THD+N<0．002％ I无线电与电视 42 I (20H Z～20kH Z)，典型值为 0．0006％； (6)信噪比为一115dB(不计 权)、一1 l 8dB (A计权，带宽 22Hz～22kHz，20W／8 Q)； (7)阻尼系数为180(1kHz)。 这些指标足以与Hi—End功 放抗衡，尤其是总谐波失真+噪 声的测试值，即使在Hi-End功 放中也难得一见。为了更清晰地 了解这些指标，再看下面4张曲线 图，如图 1所示。 图 1(a)是 lkHz时输出功 率在0．1W至削波 (>25W)时的 失真(THD+N)曲线。在5～20W 01 0．01 口 工 卜_ 0．001 0 0001 输出功率／W (a) 范围内失真远低于0．001％，10W 左右的典型值<0．0006％。5w以 下的失真值有所上升，但这是由 残留噪声所引起的。换言之，尽管 本机信噪比低至一1 15dB以下，但 还是掩盖了 5W 以下的实际失真 值。可以说，这个A类功放是一 款真正的超低失真设计。 图1(b)是输出功率10W和 20W (均8 Q负载)而不同频率时 的失真曲线。测试不同频率的失 真对功放是一个更为严格的考验。 因为即使是设计优良的功放，随 着频率 (>5kHz)的升高和输出 功率的升高，失真值也会明显上 升。由图可知，这个功放在10W／ 20kHz时失真只比lkHz高一些； 20W输出时的失真，上升也比较 平缓。这充分说明，该功放的失真 特性不仅在一个频率上很低，而 且在整个音频范围内都很好。 频率／Hz (b) 、 图 1 本机实测曲线 (d) 2009年 第 4期 图1(c)与图l(b)一样是测试 不同频率时的失真曲线，不同的 是测量带宽由图l(b)的80kHz缩 窄到 22kHz。当然，结果也有所 变化，即lOkHz以上的失真降低 了。这个测试实例告诉我们 ， l OkHz以上的失真测试值是可以 人为地加以衰减的。因此当观察 失真曲线时，要注意它的测量带 宽。否则会发生误判。 图l(d)是频率响应曲线，不 用多说相当规整。 二．电路原理 图2是20W A类功放一个声 道的原理图。乍一看，其貌不扬， CON1 R1 00 而且其中大部分内容，在许多业 余发烧友看来，也都是耳熟能详 的电路。部分电路元件的选用，可 能还会受到他们的质疑。这样普 通的电路结构 ，无论如何与上述 优异的性能联系不到一块去。然 而，实际的性能测试是严格的检 验标准，这里似乎不太可能会有 造假现象。 其实 ，这个电路是在先前 1 5W A类功放电路 (以下称原 型)的基础上，吸收了功放研究中 的新成果和许多实践经验改进而 来，早在7年前就完成了设计和性 能验证，2008年年初予以重新发 。因此，这不仅是一个成熟的设 计，而且也完全可以说反映了同 Hi Fi制作宣 类结构当前最高水平的设计和制 作情况。至于音响和音乐发烧友 更不应该放弃这个制作，希望有 条件者务必一试。下面开始介绍 电路设计中的一些考虑。 插座 CON1上的输入信号经 47 F电解电容和R2加到晶体管 Q1的基极。Q1与Q2采用日本东 芝PNP型低噪声晶体管2SA970 组成输入差分放大级。R2,1：ICl组 成截止频率为 1 90kH z的一阶 (6dB／oct)低通滤波器，图1(d) 的高频响应主要是由该滤波器决 定的。目的是把音频响应拓宽到 超音频范围，同时又能抑制射频 范围的干扰。 本机的输入阻抗由R2前的 图 2 本机电路图(一个声道) 无线电与电视1． 1 43 Hi—Fi制 作 室 10k Q电阻决定。Q2基极的串联 负反馈电阻也取为10k Q。这两 个电阻值均比常规设计的典型值 (20k Q)小一半，主要是降低电 路阻抗并减小热噪声。 整机的增益由Q2基极的反 馈网络中的 1Ok Q和510 Q电阻 决定，约为20．6倍 (即10k Q／ 510Q+1)。而整机的低频截止频 率由Q2基极的510 Q与220 F 决定，约为 1．4Hz。图 1(d)的 低频响应就是由这个 RC串联网 络决定的。 读者也许已经注意到，在输 入级 (Q1和Q2)的输入网络和反 馈网络中使用了两只大容量而且 是有极性的电解电容器。这对一 些要求较高的发烧友来说，可能 是难以接受的。在他们看来必然 会产生失真影响音质，特别是高 音频的音质。可是设计者为什么 要这样使用呢?或者说，为什么 不用无极性电解电容器呢?实际 上，这两个电容器的容量选得很 大，主要是为了降低由电容器产 生的低频失真。如果容量不够大， 随着频率的降低，图1(b)、图l(c) 低频段的失真曲线便会升高。从 测试性能看，也没有对高音频的 失真产生什么影响。设计中也试 用过无极性 (NP)电解电容器，但 由于体积较大容易捡拾噪声和干 扰而放弃了。使用大容量电容器 带来的不利之处，是由于电路频 响更宽了，容易受到电磁干扰的 侵扰，甚至会产生超音频振荡，但 这可以通过合理的布线来克服。 与反馈网络隔直电容(220 F) 并联的D1、D2，目的是防止功放 I无线电与电视 44 I 发生故障时保护220 F电容，以 免受到过大的反向电压而损坏。 例如，当输出管Q14发生短路故 障时，此时扬声器保护电路 (图2 中未画出)启动断开功放后，-22V 电源电压就会加到220“F电容 上 ，由于 D1、D2的旁路作用， 220 F两端电压被限制在 1．7V 左右，起到保护作用。从原理上 说，只用一只二极管已够，但为了 保证在电路正常工作时出现最大 反馈信号时，也不会因二极管的 非线性引起放大失真，使用了两 只串联二极管。 输入差分放大级(Ql、Q2)的 静态电流由恒流源(Q5)提供。由 Q5发射极电阻100 Q上的压降为 0．6V可知，Q1和Q2两管静态电 流为6mA。明显高于一般功放输 入差分放大级的静态电流。这个 电流大，有利于提高电路的转换 速率 (SR)，但也增大了噪声，故 Q1、Q2务必采用低噪声晶体管， 最 好按 指 定 要 求 采 用东 芝 的 2SA970。Q1、Q2的发射极电阻 1 00 Q有利于改善瞬态互调失真 (TIM)。Q1、Q2集电极采用镜流 源 (03、Q4)，不仅提高了差分放 大级的对称性，而且也大大提高 了集电极负载电阻，使得输入级 的增益大为提高。对于负反馈放 大器来说，提高整机的开环增益 至关紧要，因为只有足够高的增 益才能充分利用负反馈来降低失 真。 类似图2A种程式的功放中， 差分放大之后是一级单管共射放 大。也就是把图2中Q9的基极直 接接~I]Q1的集电极而省去Q8。由 2009年 第 4期 于 Q9的输入阻抗低，直接与 Q1 的高阻抗的镜流负载相连，会大 大降{k~Q1的增益，使镜流负载形 同虚设。所以图2电路中加设了射 极跟随器Q8做阻抗匹配。在本机 的原型功放中，Q1、Q2差放之后 采用一级共射 一共基级联电路作 电压放大。这种放大级的高频响 应好，通常用于射频放大电路，但 其输入阻抗、增益等与单管共射 放大相同。由于本机频响没有问 ，级联电路在这里没有什么优 势可发挥，也不及使用图2中的 Q8、Q9有用。 Q9未用发射极电阻，集电极 采用恒流源Q7，这都是为了提高 该级的增益。Q7与Q6组成负反 馈式恒流源 ，使得Q7基极电位更 稳定，从而也使流过Q7的电流更 恒定。稳定了的Q7基极电位也使 恒流源05的基极电位更稳定。除 此之外，为了减小上述恒流源电 流受 正 电源 电压波动 的影 响 ， Q5、Q7两管的基极还接有2只 10kQ电阻的分压器，其中点通过 47“F电容接到+22V电源线上。 总之，Q5～Q7及其周围元件组成 了一个改进的恒流源偏置电路 ， 提 高 了 电 源 的 纹 波 抑制 比 (PSRR)。至于负电源的PSRR是 通过 一22V电源线上增加 10 Q和 1000 F退耦网络来提高的。A 类放大比 B类放大要求有更低的 电源纹波，这是因为 A类要求电 源所提供的静态电源 (≥1A)远 比B类所要求的静态电流 (20～ 30mA)大得多。如果PSRR达不 到一定的要求，低音频的失真指 标就会变差。Q8基极与Q9集电 极之间的100pF电容做本机的相 位补偿用。 现在来看输出级的组态。绝 大部分晶体管功放输出级采用同 极性晶体管串联成达林顿复合管， Q1、Q2之间没有反馈联系，如图 3(a)所示。本机的输出级采用异 极性晶体管按图3(b)方式复合 起来，组成一个互补反馈对结构。 与图3(a)相比，互补反馈对具 有更好的线性，更接近于1的电压 增益。这是因为，Q1可以看成一 个集电极负载为100Q、发射极电 阻为0．1 Q的共射放大级。Q2的 b—e结跨接在 100 Q两端形成一 个电流放大级，它的集电极电流 全部流过Q1的发射极电阻，形成 了100％的电流负反馈。有实验测 试数据表明，互补反馈对的失真 是达林顿复合管的1／2。 占 (a) (b) 占 图 3 复合晶体管结构 图2的输出级可以在A类、B 类或AB类状态下工作，主要由输 出管 (Q12~Q14)中流过多大的 静态电流决定。如果静态时输出 管中电流设为0，就是 (纯)B类 状态。如果静态电流设置得比较 大 (≥1A)，一般就是A类状态。 本机的静态电流取I =1．12A，此 时A类工作时在负载R =8 Q上的 最大输出功率P 为 P ：2(I ) R =2×(1．12) × 8=20W 本机实测在A类工作状态下 的最大输出功率达到20W，削波 功率可达到25W。但应说明，输 出功率在20W之前是处于A类状 态。在输出功率≥20～25W这个 范围内时，输出失真也很小，但已 不是 A类工作状态，而是 AB类 状态。不过，这个AB类状态与常 见的静态电流取数十mA的AB类 状态有明显的不同。前者 (如本 机)在A类下的输出功率很大，往 往达到数十w。后者 (如大多数 所说的AB类功放 )的 A类状态 下的输出功率很小 (一般远小于 1W)。 为了把输出级的静态电流设 置到1．12A，使用的方法与AB类 功放一样，使用Q10构成一个U 倍增电路。一般图3(a)中达林 顿复合管Ql基极到输出中点之 间的压降是 2 U =2×0．7V= 1．4V。输出中点到另一个互补达 林顿复合管基极之间压降也是 1．4V，因此只要调整Q10基极的 VR1使Q10集一射之间的压降达 到 1．4V ×2=2．8V左右，就能使 输出级获得数十mA的静态电流。 对于图2的互补反馈对输出级， Q11基极和Ql3基极到输出中点 的压降分别为1个U 。Q11与Q13 基极之间的压降则为2U 。因此 如果要使输出级工作在 AB类状 态，由于静态电流很小，仅数十 mA，U 可如上取0．7V，即Q11 与Ql3基极之间只需加上4U = 4×0．7=2．8V偏置电压即可。因 i—Fi制作宣 为本机要求输出级工作于A类， 静态电流达1．12A，所以要适当提 高U 的值，大致为 U =0．8V。 因此，本机要求调整VR1使Qlo 的集一射之间压降为2U =2× 0．8=1．6V左右。不过，实际调试 时应以 Q1 2或 Q14发射极电阻 0．1 Q上压降达到112mV为准。 此外，Q 1 0集一射之间的 47 F电容使Q11和Ql3的驱动 阻抗相同，以减小上下推挽晶体 管输入信号的失真。Qll和Q13N 基极电阻100Q有两个作用，一是 防止输出级产生寄生振荡，二是 防止因Q11和Q13发生对输出端 短路故障而正负电源保险丝Fl、 F2又未烧断时烧毁Q7、Q9。为 了静态电流的稳定性，除了把 Qlo安装到推动管 (Ql1)散热器 上进行温度补偿之外，Q10集电 极的l6 Q电阻，也能起到一定的 温度作用。 输出级(Q12、Q14)放大后的 信号通过RLC(6．8“H、6．8 Q 和150nF)滤波器，再经扬声器保 护继电器(RL)加到扬声器上。这 个滤波器对于隔离扬声器馈线的 容抗分量十分有效，从而保证了 不论接什么音箱放音，都能确保 放大器稳定工作。这个滤波器还 能衰减音箱馈线拾取的射频干扰 信号，防止强的干扰信号通过反 馈回路窜入输入级。扬声器端子 之前的RL是音箱保护继电器，其 电路和接法上的特点，可见本刊 2009年第2期 (另外，R1见后文 说明)。 图4是本机左、右声道共用的 电源，简洁到无须再加说明。需要 无线电与电视1． 1 45 Hi．Fi制 作 室 音乐天使的魅力 但凡有玩胆经历的发烧友都 知道 ，300B是一只大名鼎鼎的古 典直热式阴极中功率三极管，已 经历半个多世纪，其构造结构简 单，工艺成熟完美，能使音频信号 的放大还原更具直接性和快速的 瞬时反应。Hi-End音响界公认 300B~q作的单端A类放大器是线 路最简洁、失真最小、控制力最 好、乐声重现最佳，声音素质之高 是有口皆碑的，但要制作表现出 色的优秀300B胆机也并非是轻 而易举的。首先要理性地去认识， 结合本身的客观条件，不偏离价 值规律，结合现代音源、音响的特 点，并根据个人对音质、音色的喜 DIY现代风格的300B单端胆机 龚。月发 好要求，选择适应300B特性的零 部件及线材 ，去精心制作一款架 构合理的电路。如调校得法则可 尽显娇艳名贵气质，不负白马王 子美誉之称的梦幻铭器也一定能 出自DIY发烧友之手。 笔者近期有幸听过几款我国 长沙曙光厂生产的 300B，尤其是 300B～Z珍品管所表现的空灵、甜 美、活跃的音乐神韵，使之久久不 能忘怀。于是结合自己手中的零 配件，购买了一对曙光厂生产的长 寿命设计300B-C胆管，设计了一 款较适应现代音响器材的简洁电 路，动手 自制机座、电源变压器、 输出变压器等主要部件。经过两 个多月的辛勤装配、焊接、调校试 听，一款音色甜美、层次分明、韵 味独特、功率可达10W的单端A 类胆机如愿打造完毕，能配用灵敏 度86dB以上的现代型音箱，省却 找一对优秀高效率音箱搭配的麻 烦。 一 ． 电路架构与用胆特点 纵观典型的300B铭器，以单 端甲类电路构架最为简洁，其电气 指标最高，较易获得理想的靓声回 报。然而享有盛誉的W．E91单端 机王等铭器都属古典的传统电路， 在特定的历史条件下所使用的零 部件、管源等都离现实相去甚远。 提一下的是这个功放A类时最大 输出功率为什么要设计在20W的 问题。这主要考虑到与输出功率 直接有关的器件规格和成本问题。 例如，输出级管子数量、散热器的 大小、电源变压器的容量、整流滤 波电容器的耐压等。本机通过综 合考 虑 ，要 在 电源 变 压 器 为 160VA，每个声道用一块 300mm ×75ram ×49mm fW ×H ×D) 的前提下取得最大效益。其结果 是当输出功率在A类为20W，AB 类为25W 时，散热器温度能够维 持在仅比环境温度高30~C。如果 设计到 A类25W，则散热器会变 ． ． I无线电与电视 46 I 图 4 本机电源电路图 得过热。 综上所述，这个 A类功放电 路很传统、很简单，几乎没有什么 新奇之处。即使有所改动，看起来 也毫不起眼，也没有使用发烧友 特别崇尚的补品元件，只是从现 存的器件中挑选 出合适的品种， 最终使电路性能达到了一个新的 高度。它很值得大家仿制、实验、 试听，再看看还有什么可以改进 之处。 (未完待续)