甲类功放甲类功放

甲类功放 概述 　　甲类功放（A类功放）输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在最大讯号情况下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。当讯号趋向正极，线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。甲类功放的工作方式具有最佳的线性，每个输出晶体管均放大讯号全波，完全不存在交越失真（SwitchingDistortion），即使不施用负反馈，它的开环路失真仍十分低，因此被称为是声音最理想的放大线路设计。但这种设计有利有弊，A类功放放最大的缺点是效率低，因为无讯号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。当讯号电平增加时，有些功率可进入负载，但许多仍转变为热量。　　 　　甲类功放是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖，高音透明开扬，这些优点足以补偿它的缺点。甲类功率功放发热量惊人，为了有效处理散热问题，甲类功放必须采用大型散热器。因为它的效率低，供电器一定要能提供充足的电流。一部25W的甲类功放供电器的能力至少够100瓦AB类功放使用。所以甲类机的体积和重量都比甲乙类大，这让制造成本增加，售价也较贵。一般而言，甲类功放的售价约为同等功率甲乙类功放机的两倍或更多。 　　甲类功放声音上有饱满通透的优点，晶体管功率放大器是由三极管组成的，而三极管是由多组配对（N结及P结），这两个结构成的，当没有外加电压时是截止，只有在上面外加一个偏置电压并且高于它的门限电压，这个N/P结才会导通，有电流通过，三极管才开始工作。 　　甲类功放是把正向偏置定在最大输出功率的一半处，使功放在没有信号输入时也处于满负载工作状态，使得功放在整个信号周期内都导通都有电流输出。甲类功放使三极管始终工作于线性区，因此甲类功放几乎无失真，听感上质感特别好，尤其是小信号时，整个声音通透细节丰富。纯甲类功放它的造价也是惊人的，它电耗等于是一部空调。特别是百分之百的甲类功放就是指音箱阻抗怎样随频率变化，功放都能保持甲类工作而且输出功率足够，一对音箱虽然它的标称阻抗是8欧姆，便在工作时它的实际阻抗因素是会随频率变化的，时高时低，有时会低至1欧姆，这就要求功放的输出功率能随阻抗降低而倍增，也就是我们常看到的巨甲级数的功放所标输出功率指标，如贵丰单声道旗舰功放安替龙；175W（8Ω）、350W（4Ω）、700W（2Ω）1400W（1Ω），这才是百分之百纯甲功放。只有这样的功放才能使你听到纯甲类的音质。　　 　　一、为什么“热机”比“冷机”好听 　　功放刚开机尚无温升或温升较小时，机内温度和环境温度基本一致，此状态下功放称为冷机，这时各级静态电流还较小，末级电流仅二三十毫安（盛夏时稍大），相当于低偏置的甲乙类或乙类，声音自然“好听”不起来，但是随着结温的缓慢升高，每升高1℃，β增加约1％，Vbe减小约2．5mV，这两者同时作用，晶体管静态电流会升高得很快，当机器烘至热平衡时，各级工作点早已达到甲类额定偏置状态，此时声音也是地道的“甲类声”，因此也就相对“好听”。而且功放达热平衡后，各级静态工作点也趋稳定，也有利于改善听感。对于使用BJT＋MOSFET的机子同样遵循上述规律，而使用全MOS管的机子则不同，其冷态时各级静电流会大于热态值，但冷态时各级工作点均不稳定，因而听感也就不如热态好。 　　二、何来“热噪声” 　　一些经济的甲类功放在刚开机时，喇叭一片宁静，而升温发热后，噪声就出来了，由于和“热”有关系，人们认为这是“热噪声”。热噪声是指在高于临界温度时，放大器内阻容元件的本底噪声和晶体管的内部散弹噪声，实际上这些“声音”还不能让喇叭工作，那么这些可闻噪声又是从何而来的呢？功放冷态时各级静态电流较小，电源负载较轻，电源纹波和噪波非常小，而达热稳态后，静态电流可增大十倍以上，电源负载加重，纹波和噪波也变得较大，噪声自然就出来了。要证明这一点很容易：1．将电压放大级单独用稳压电源供电，可明显降低“热噪声”，如果已用了稳压电源单独供电，不妨换上容量更大的优质稳压电源；2．用电瓶供电，你会惊奇地发现此时“热噪声”也无影无踪。另外，变压器在负载加重后，其振动和杂散磁场也会增大，对噪声的增大也有“帮助”。因此所谓的“热”噪声和温度确实有关系，但实质主要是电源纹波所致。 　　三、为什么纯甲类功放相对要昂贵许多 　　纯甲类功放常工作于60℃～85℃的高温环境下，因此对元器件及工艺水平的要求非常苛刻，联机调校繁琐而费时，如末级功放管的配对就是在额定工作温度点附近进行动静态测配，用这种选配元件尽管整机性能有保证，但100对管子通常也只能挑出一两对，而一些高档的甲类功放其末级每声道一般有2～12对晶体管，试想，数百上千对优质正品大功率晶体管要值多少钱，从中精心挑选那么一二十对管子又得花多久时间，如钟神JA－100的功放管就是从260对正品中精选的。 　　四、经济型甲类功放适合你吗 　　本处所指的是价格不超过两千元的甲类功放，它和同价位的甲乙类放大器或超甲类放大器相比，整体指标要逊色一些，如瞬态响应，按理甲类会优于乙类，但是甲类功放本身功耗大，电源贮备相对较小，因而大动态时常常出现软脚现象，而同样的电源容量，甲乙类的贮备相对较大，瞬态响应反优于甲类；输出功率是搭配器材的重要参数之一，经济型甲类功放一般功率在二三十瓦左右，要增大输出功率，变压器、散热器、功放管的成本就会超出设计预算，出于成本考虑，这类放大器的末级供电电压均较低，输出电流也较小，搭配音箱存在一定的难度，而同价位的甲乙类机输出功率常在其三倍以上，搭配音箱相对容易一些；如前所述，经济型甲类机的“热噪声”是不容忽视的，同时其冷热态温差也较大，各级晶体管的配对误差也较大，而且因成本关系，其调校、工艺、电路优化等许多方面不可能做得非常到位，这或许也是厂家专给摩机手留下的空间吧。当然我们也要看到，国内一些知名厂家推出的经济型甲类功放在和功放参数匹配的小口径单元上其重放水平也是很理想的。　　 　　甲类功放同乙类功放相比，为何听感上好于乙类功放呢？ 　　在静态时，甲类功放和乙类功放接上纯电阻负载，测试时可能指标差不多，甚至热噪声甲类大一些。但是实际应用时，接的却是真负载（动负载）——扬声器，而且不同频率时扬声器的阻抗也不一样，这时的综合电声指标将劣于纯电阻负载时的指标，产生瞬态失真。由于负反馈的存在又会反馈到前级，这种瞬态失真关键是扬声器系统质量关型设计受到有效的、不间断的阻尼（控制）所引起，并且信号的电压上升率越高，这种失真越严重。对于高保真而言，重要的是扬声器系统的质量惯性能否受到扩音机有效的阻尼（控制）。 　　乙类功放的阻尼不能有效的控制扬声器，对任意半周只有一臂输出在工作，或推或挽，但不能同时工作，所以它的阻尼是单方向的，即无论正半周或负半周，他只有产生推动扬声器工作的动力，而不能产生控制回来的拉力，要全方位阻尼，驱动电流必须及时换向，问题就在这里。以输入方波为例，可能工作时输入信号比方波还要复杂，当信号上升时，扬声器可以按照信号波形去工作，但当信号突然停止时，扬声器由于质量的惯性作用，却不会立刻停止，此时它的音圈产生反电动势造成正在导通的A臂输出管反偏而截止，而原来处于截止的B臂却导通，同时这个反电动势又由负反馈送回前级被放大后从而激励B臂输出管加速导通，共同完成乙类功放这种特殊的阻尼，因为这个过程要过零点，有一瞬间失去阻尼自由振荡。这个过程完毕，B臂导通变截止，原本导通又被反偏的A臂输出管才恢复导通，又经历一次过零点失去阻尼的瞬间才恢复阻尼。因此说乙类功放的阻尼在任意瞬间都是单方向的，对扬声器的阻尼是靠反反复复的过零点换相来实现的，几乎时刻都产生着失真。 　　甲类功放正负两臂均导通，阻尼系数的双方向的，在突发性高电压上升时，音圈按照波形去动作，信号停止时，反电势经导通的B臂完成通路，惯性被阻尼，无法产生自由振荡，反电势也建立不了，甲类功放这种全方向的阻尼，迫使扬改朝换代器的振动始终根据信号的波形去振动。这好比一辆正在预势的摩托车，说走就走，说停就停。　　 　　推荐几款容易制作的靓声甲类功放电路以供参考。其组成框图如图1所示。 　　该电路具有如下特点：1．采用板块积木式组合，可根据自身经济状况适当增减。2．电压放大部分与电流放大部分分开设计、布版，便于烧友采用高、低压两组电源分开供电，可选择众多特色的后级电路搭配，也便于安装固定散热片，为发烧友摩机提供方便。3．采用无大环负反馈设计，可进一步改善扬声器负反馈电动势对音质的影响。 　　限于篇幅，这里简介电压放大部分与电流放大部分。以下均为双声道设计，仅给出一个声道的原理图，另一声道、电源与保护电路图略。 　　一、电压放大部分 　　使用厂家提供的成品板。该板双声道设计，采用双面镀金线路板制作，板上大量使用发烧器件，如五环金属膜电阻、ELNA发烧电容、音频专用高频管、低噪声恒流源专用场效应管等。原理简图如图2所示。使用孪生场效应管NPD5565输入，采用共源共基电路、有源负载及差分电路，与马兰士公司的HDAM模块电路及国内一些厂家生产的电压放大模块电路相比，本电路显得设计更趋于该电压放大板对电源适应范围较宽，±35V～±60V都可工作，建议电压放大部分供电采用并联式稳压电源，且比电流放大部分电压高出5V～10V。完善，音质也更理想。 　　二、电流放大部分 　　有多种电流放大板可与上述电压放大板配套，下表列出所用功率管的部分参数供发烧友参考。 　　1．2SK2013／2SJ313推动3对2SK1529／J200，原理图如图3所示。 　　2．2SK2013／2SJ313推动3对2SC5200／2SA1943，原理图略，可参考图3，装配时只需把K1529／J200换为C5200／A1943即可。 　　3．2SC5171／2SA1930推动6只2SK851，原理图如图4所示，超大电流MOS场效应管2SK851具有开关速度快、导通电阻小、失真率低等特点。目前仍无场效应管与之配对，该电路采用准互补输出的形式，2SK851曾在天龙PWA－2000N功放中使用过。 　　4．2SC5171／2SA1930推动6只2SD1037，原理图略，可参考图4，装配时，只需把K851换为D1037即可。该电路采用准互补输出，只要设计得当，准互补输出电路同样可出靓声。比如深受好评的LM3886、LM4766内部就采用准互补输出电路。 　　5．采用3对三肯复合管SAP15N、SAP15P，原理图如图5所示。 　　6．2SK2013／2SJ313推动8对大功率场效应管或三极管(图略)，方便发烧友制作100W×2纯甲类。 　　三、调试 　　以上6种后级电路可根据P甲＝2I02RL计算其所需甲类功率或末级静态电流，从而根据需要调试末级静态电流。如一台在8Ω负载下输出功率为80W的纯甲类机，末级静态电流为Io＝2．236，则流过每管的静态电流为Io′＝Io／n＝2．236／3A＝0．745A，即0．25Ω／5W电阻上直流压降为V＝Io′？R＝745×0．25≈186(Mv)。 　　虽然纯甲类功放声音柔和、甜美，但是它对变压器、滤波电容、功率管及散热片都有极其严格的要求。听一个月下来，电费负担重。在这种情况下，烧友不妨把功放制作成高偏置甲乙类功放，比如20W以下为甲类输出，20W～100W为甲乙类输出。此时功放总静态电路为Io＝1．118A，其实一般居室环境，20W左右的纯甲类输出，可满足大多数烧友的听音要求。 　　由于电压放大部分已被厂家调试好，只需装配好末级电流放大部分及相关接口。微调电压放大部分的W1使输出为0mV，再调节电流放大部分的多圈电位器W2，测量0．25Ω／5W电阻两端的直流电压，使其符合自己的要求，对图3、图4可直接测量0．25Ω／5W两端的电压，对图5应测量SAP15N④、⑤脚或SAP15P①、②脚两端的电压。 　　若测试一切正常，即可煲机1～2小时，重复检查各项参数，若无误，即可放音试听。若想装配纯甲类功放，可把整机先调成高偏置甲乙类功放，试听正常，再逐步加大静态电流至所需值，使该机成为纯甲类功放。 　　以上五种电流放大板，所配散热器尺寸均为360mm×120mm×50mm，成品板均调试成高偏置甲乙类功放(甲类20W＋20W)，若要装配80W＋80W纯甲类功放，只需换掉散热片，把功放板装入两边外露散热器式专业功放机箱(480mm×430mm×150mm)调试好即可。 　　以上线路，发烧友稍作调整(如改变变压器功率及供电电压、功率管对数及静态电流)即可有多种用途使用。如：制作大功率功放(250W／4Ω)；制作电子分频功放；制作高品质耳机放大器(用本电压放大板推动K214／J77或K2013／J313)；用电压放大部分对一些分立元件中、低档功放进行摩机；制作顶级8声道纯后级功放(如用4块电压放大板，共用电源，每声道一对三肯2SC3858、2SA1494等)。