所謂甲類或純甲類功放,實(shí)際是按靜態(tài)工作點(diǎn)分類的功放中的兩個(gè)子類。而按照這種分法,常見的HIFI功放可分為則包括甲類功放、純甲類功放、乙類功放、甲乙類功放四大類。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),他們的區(qū)別只在于功放在接收到正弦信號(hào)時(shí)的工作狀態(tài),再通俗點(diǎn)說(shuō),就是功放是否一直處于工作狀態(tài)。在這里,甲類功放甲類放大器的功率輸出管在信號(hào)的正、負(fù)半周均處于導(dǎo)通狀態(tài),全周期處于導(dǎo)通的工作狀態(tài),不存在開關(guān)失真和交越失真,但靜態(tài)電流相當(dāng)大,工作效率較低,成本較高。它的好處是聲音好聽,但效率不高,因?yàn)楣Ψ旁跊]有輸入信號(hào)的時(shí)候仍然空轉(zhuǎn),實(shí)際上長(zhǎng)時(shí)間處于一種待機(jī)工作狀態(tài);純甲類功放,則是一種比甲類功放更講究的功放。它與甲類功放的區(qū)別就在于,在甲類的基礎(chǔ)上加了正反饋控制,目的是使功放始終保持在峰值狀態(tài)運(yùn)作,這樣聲音的效果更好,但效率也就更低;而乙類與前二者的最大分別就是在設(shè)計(jì)時(shí)考慮更多的是工作效率,不給功放輸出管加靜態(tài)電流,有信號(hào)時(shí)工作,沒信號(hào)時(shí)就不工作,對(duì)于聽者而言,就會(huì)因這種切換中的失真,而產(chǎn)生耳朵坐過(guò)山車的感覺;而甲乙類功放,顧名思義則是對(duì)甲類和乙類兩者的整合。它在對(duì)電路設(shè)計(jì)時(shí),給三極管加了很小的偏置電流,減少了失真。這樣,從聽音效果上力求偏向甲類,而在使用效率上偏向乙類。
說(shuō)到這里,很多人可能會(huì)問(wèn),那么是不是純甲類一定好過(guò)甲類,甲類又好過(guò)甲乙類,甲乙類又好過(guò)乙類呢?牽你右手的回答是,未必。作為HIFI發(fā)燒友,唯一可以馬上出局的是乙類功放。作為其他三者,各有各的特色。何況只從參數(shù)去看功放,本身就是不客觀的。在功放的選擇更多的還是發(fā)燒友們自己用錢包衡量性價(jià)比,同時(shí)用耳朵收貨,不要輕易在甲類和純甲類前迷失方向,畢竟它們只是兩種設(shè)計(jì)思路而已。
縱觀目前市場(chǎng)上的Hi-Fi功放, 輸出功率在100W以上的以甲乙類放大產(chǎn)品居多,50~100W的功放中甲類放大產(chǎn)品占有相當(dāng)?shù)谋壤母弑U娴慕嵌葋?lái)看,功率儲(chǔ)備大些當(dāng)然是好,但若從節(jié)省能源的角度來(lái)看,就值得考慮了。由于純甲類功放的效率很低,所以在您欣賞美妙音樂的同時(shí),約有百分之七八十以上的電能變成熱量散發(fā)掉了。一臺(tái)每聲道輸出功率為50W的純甲類功放,若以30%計(jì)其效率,則靜態(tài)功耗就有 330W之大,說(shuō)句玩笑話,簡(jiǎn)直是“守著火爐吃西瓜”。筆者在幫人選購(gòu)功放時(shí)就經(jīng)常遇到這樣的情況:很多人雖然為純甲類功放的音色所傾倒,但也往往因其 “發(fā)高燒”的工作狀態(tài)而忍痛割愛。功耗大也是電子管功放的致命弱點(diǎn)。市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)是無(wú)情的。國(guó)內(nèi)幾家有名的生產(chǎn)膽機(jī)的廠家,如斯巴克、歐博、大極典也先后推出了自己的晶體管功放,就證明了這一點(diǎn)。
根據(jù)我國(guó)國(guó)情,一般工薪階層的居室面積多在二十平方米以下,并且通常以客廳或臥室兼作聽音室。若音箱的靈敏度在89dB以上,則10~20W的純甲類功放就可滿足一般欣賞要求。如果在歌舞廳里那樣的環(huán)境中讓我們的耳朵長(zhǎng)期承受大音量,聽力就會(huì)逐漸減退。再說(shuō),吵得左鄰右舍不得安寧,也不合適。所以說(shuō),如果生產(chǎn)一些功率在15W左右的音質(zhì)音色較好的功放,靜態(tài)功耗在100W以下,肯定會(huì)有市場(chǎng)。可惜這類功放是個(gè)空白。日本金嗓子有一款A20,每聲道純甲類功放20W,音質(zhì)有口皆碑,但價(jià)錢卻令人望而卻步。現(xiàn)在,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)功放的廠家似乎在攀比,功率越做越大,重量越做越重,但銷路卻不見得很好。何不制作一些“好吃不貴”的功放來(lái)投放市場(chǎng)呢?本著這個(gè)思想,我們?cè)O(shè)計(jì)了這臺(tái)15W純甲類功放,試圖在這方面做一些嘗試。
一、 電路原理與特點(diǎn)
1.功放部分(見圖1)
由VT1、 VT2組成差動(dòng)放大電路,每管靜態(tài)電流約為0.5mA。R3為VT1的集電極負(fù)載電阻,VT1與推動(dòng)級(jí)VT4之間為直接耦合。輸出級(jí)由兩只型號(hào)相同的 NPN型大功率晶體管VT5、VT6組成,而沒有采用互補(bǔ)對(duì)稱推挽電路。輸出管VT6對(duì)于負(fù)載(揚(yáng)聲器)來(lái)說(shuō)是共發(fā)射極電路,而VT5則是射極輸出電路,因此是不對(duì)稱放大。但實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,整個(gè)放大電路在取消大環(huán)負(fù)反饋(將R5短路)時(shí)的開環(huán)失真卻很小,而且主要是偶次諧波失真。這個(gè)功勞應(yīng)該歸功于推動(dòng)級(jí)電路。推動(dòng)電路是本機(jī)最具特色的電路,它的作用和效果與傳統(tǒng)的RC自舉電路相比,有過(guò)之而無(wú)不及。VT4為集-射分割式倒相電路,分別由其集電極和發(fā)射極輸出一對(duì)大小相等、方向相反的信號(hào)。VT4對(duì)于輸出管VT6來(lái)說(shuō)為射極輸出電路,電壓放大倍數(shù)小于1。從VT4集電極輸出的信號(hào)通過(guò)交流電阻很小的發(fā)光二極管VD1,加到輸出推動(dòng)管VT3的基極。VD1的正向?qū)▔航导s為1.9V左右,可看作一個(gè)噪聲很小的穩(wěn)壓二極管,它使得VT3的發(fā)射極電阻R7兩端的直流電壓UEC基本不變,約比VD1的穩(wěn)壓值小0.7V。對(duì)交流信號(hào)而言,R7是與VT3的發(fā)射結(jié)電阻相并聯(lián)的。VT3和VT5組成同極性達(dá)林頓式復(fù)合管。因此推挽放大的上臂是由一級(jí)共射放大電路(VT4)和二級(jí)射極輸出電路(VT3、VT5)構(gòu)成的,而推挽電路的下臂是則由一級(jí)射極輸出電路(VT4)和一級(jí)共射放大電路(VT6)構(gòu)成,可見是不對(duì)稱的推挽放大電路。故在選擇放大管時(shí),這幾只管子的電流放大系數(shù)也不必配對(duì)。這一點(diǎn)在工廠大批量生產(chǎn)時(shí)尤為重要,可以大大降低成本。該樣機(jī)各管β值如下:β1=β2=110, β3=50,β4=90,β5=70,β6=90。也就是說(shuō),要把β值較大的管子優(yōu)先安排為VT4和VT6。該功放電路的開環(huán)電壓放大倍數(shù)約為504,閉環(huán)電壓放大倍數(shù)由R4和R5決定,約為15.7。甲類推挽功率放大電路的理論最高效率為50%,該樣機(jī)實(shí)測(cè)最大不失真輸出電壓的有效值為11V,折合成輸出功率約為15W(8Ω),靜態(tài)功耗約為40W,因此最高效率為37.5%。當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入時(shí),效率為零,40W功率幾乎全部消耗于兩只輸出管上,因此要加上足夠面積的散熱器,并且保證通風(fēng)情況良好。
總之,該功放有以下特點(diǎn):(1)功率輸出管的電流放大系數(shù)不需配對(duì);(2)用筆者設(shè)計(jì)的推動(dòng)電路取代了傳統(tǒng)的自舉電路,頻率響應(yīng)好;(3)輸出電壓幅度大;(4)電路簡(jiǎn)單、調(diào)整容易、便于制作。
2.穩(wěn)壓電源部分(見圖2)
由于功放為OCL電路,輸出端與揚(yáng)聲器直接耦合,故一般應(yīng)加裝延時(shí)保護(hù)電路,但由于該機(jī)采用了具有短路保護(hù)及軟啟動(dòng)功能的±17V雙路穩(wěn)壓電源,故省略了這部分電路。正負(fù)穩(wěn)壓電路均采用集電極輸出式調(diào)整電路,效率高且具有短路保護(hù)功能,但不能夠自啟動(dòng)。VT7、VT9組成復(fù)合電源調(diào)整管。VT11為取樣放大管。由于VT11的基極接地,故發(fā)射極電位必須為-0.7V才能使它工作于放大狀態(tài)。所以R19的下端不能接地,而是接至-17V。所以,如果萬(wàn)一負(fù)輸出電源對(duì)地短路,將會(huì)使 VT11的發(fā)射極與基極間的電壓為零,從而使VT11截止,這樣調(diào)整管VT9、VT7因得不到基極電流也截止,結(jié)果使得正輸出電源電壓為零。由于正、負(fù)穩(wěn)壓電路是對(duì)稱的,故當(dāng)正電源對(duì)地短路時(shí),也會(huì)使負(fù)電源電壓為零。功放電路的輸出端省卻了揚(yáng)聲器保護(hù)電路的原因也在于此,萬(wàn)一有一只輸出管發(fā)生擊穿短路,另一只輸出管也會(huì)由于上述保護(hù)功能而得不到電源電壓,這樣揚(yáng)聲器中就不會(huì)有大的直流電流通過(guò),從而有效地保護(hù)了揚(yáng)聲器。
該電源的輸出電壓基本上由VD4、VD5兩只穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值決定,約比它們的穩(wěn)壓值低0.7V左右(即減去VT11、VT12的發(fā)射結(jié)直流壓降),故對(duì)兩只穩(wěn)壓管要仔細(xì)挑選配對(duì)。
輸入端濾波電容器每邊采用兩只4700μF的電解電容器并聯(lián)使用,而輸出端的濾波電容器每邊僅采用一只10μF的無(wú)極性電容器。通過(guò)樣機(jī)實(shí)測(cè),當(dāng)輸出電流為2.4A(滿載)時(shí)的紋波電壓很小:正電源側(cè)為0.8mV,負(fù)電源側(cè)為1.25mV。此外,波形并非100Hz的鋸齒狀,而是頻譜較寬的噪聲狀。
該電源的穩(wěn)壓性能之所以較好,一是由于集電極輸出式穩(wěn)壓電路的調(diào)整管具有一定的電壓放大倍數(shù),二是由于取樣電路的取樣比等于1,輸出端的電壓變化直接通過(guò)VD4、VD5耦合到了取樣放大管VT11、VT12的發(fā)射極。
為了消除一般OCL電路開機(jī)時(shí)通過(guò)揚(yáng)聲器的沖擊電流造成的“噗”聲,該電源還設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)電路。其工作原理如下:開機(jī)后,濾波電容器C3上的正電壓通過(guò)R10向C5充電,C5上的電壓按指數(shù)規(guī)律上升。該電壓通過(guò)R12及VD2加到正電源輸出端,同時(shí)通過(guò)R16為VT12的發(fā)射極提供電流,使負(fù)電源也同時(shí)啟動(dòng)。電源電壓達(dá)到正常值后,正輸出電壓通過(guò)R14給單向可控硅VD3提供觸發(fā)電壓而使它導(dǎo)通。VD3導(dǎo)通后,其陽(yáng)極電壓降低到0.7V以下,故二極管 VD2截止。C5上的電壓通過(guò)R12和VD3放電。延遲時(shí)間由R10、C5時(shí)間 常數(shù)決定,本例中此常數(shù)為0.33秒,開機(jī)時(shí)音箱中一點(diǎn)兒聲響都沒有。
該電源的效率很高,調(diào)整管集電極和發(fā)射極之間電壓降至1V時(shí),輸出電壓仍可保持穩(wěn)定。若市電交流電壓為220V時(shí),穩(wěn)壓電路的輸入電壓設(shè)定為±22V (帶額定負(fù)載),則可以使穩(wěn)壓電源在市電變化±10%時(shí),仍工作在最佳狀態(tài)。若以調(diào)整管壓降為7V計(jì)算,在滿負(fù)荷2.4A時(shí)的管耗約17W,因此只需較小的散熱器,此時(shí)效率在70%以上。當(dāng)調(diào)整管壓降為3V時(shí),效率為85%。
總之,該電源電路特點(diǎn)是:具有軟啟動(dòng)功能;具有正負(fù)電源分別短路或同時(shí)短路的保護(hù)功能,可省去揚(yáng)聲器保護(hù)電路;高效率,約70~85%以上;低紋波系數(shù)。
二、制作與調(diào)整要點(diǎn)
1.元器件的選擇
功率輸出管VT5、VT6選用東芝的2SC3281,β在70~110之間。實(shí)驗(yàn)時(shí)也曾選用過(guò)三肯的2SC 2922,但發(fā)現(xiàn)容易產(chǎn)生高頻自激。推動(dòng)管VT4選用NEC的2SD401,β值為70~90,VT3也用2SD401,β在50~70之間。當(dāng)輸出管的 β值在100以上時(shí),VT3、VT4也可選用國(guó)產(chǎn)管3DG130(3DG12)。輸入級(jí)VT1、VT2可選用9012或9015等,β值在100左右,不宜太高,但要求配對(duì);也可選用P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,但耐壓應(yīng)不低于40V(因手頭無(wú)此類管子,故未曾實(shí)驗(yàn))。電阻的功率R6、R10應(yīng)選1W以上, R7、R16、R19應(yīng)選1/2W以上,其余不作要求。電阻 R9采用兩只1W、0.51Ω電阻并聯(lián),作為測(cè)量時(shí)取樣使用。穩(wěn)壓管VD4、VD5應(yīng)選1W以上功率的。單向可控硅可選1A電流的任何型號(hào)。
電源部分的VT7、VT8選用MJ2955和2N3055或其它互補(bǔ)配對(duì)管,要求β大些,最好大于80。推動(dòng)管VT9、VT10選用中功率管 3CK9、3DK9等,β值在50~80之間。取樣放大管VT11、VT12選用9014和9015,β值大于100。還要注意正負(fù)電源各對(duì)應(yīng)管的β值應(yīng)該相近,即大致配對(duì)。電容C1、C6、C7選用滌綸或聚丙烯電容。穩(wěn)壓電源輸入濾波電容C3、C4采用四只4700μF35V優(yōu)質(zhì)電解電容兩兩并聯(lián)使用。
電源變壓器功率容量應(yīng)不小于100VA,次級(jí)交流電壓雙18V,電流3A以上。整流管可用1N5401。
2.調(diào)整要點(diǎn)
電源部分幾乎不需要調(diào)整。如果電源不能自啟動(dòng),則應(yīng)適當(dāng)減小R10的數(shù)值,但應(yīng)在滿載時(shí)能夠自啟動(dòng)的前提下盡量大一些,以增大延遲時(shí)間。功放部分的調(diào)整可歸結(jié)為兩項(xiàng);一是調(diào)整R2使輸出端電位等于零;二是調(diào)整R6使R9上的壓降等于0.3V,此時(shí)末級(jí)靜態(tài)電流約為1.18A。注意一開始可將電流調(diào)得稍小些,如0.9A,等預(yù)熱一段時(shí)間以后再調(diào)到上述規(guī)定的數(shù)值。
3.電路的變通
該功放電路稍加改動(dòng)即可變?yōu)?span lang="EN-US"> OTL電路,此時(shí)穩(wěn)壓電路可以省去負(fù)電源部分。OTL電路雖然技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果不及OCL電路,但音色卻別有風(fēng)味。OTL電路由于使用了輸出電容器,雖然會(huì)影響頻率特性,但卻使揚(yáng)聲器的安全得到了保障。限于篇幅,此處不再贅述。
三、主要技術(shù)指標(biāo)
該功放的主要技術(shù)指標(biāo)如下:最大輸出功率為15W(8Ω);頻率響應(yīng)為5Hz ~ 44kHz (-1dB,10W,8Ω);電壓增益為24dB;輸入靈敏度為0.7V(rms)。
經(jīng)過(guò)反復(fù)試聽對(duì)比,大家一致認(rèn)為該功放在播放人聲時(shí),嗓音顯得寬厚圓潤(rùn),流暢自然,能將演唱者的感情表達(dá)得很好。小提琴的表現(xiàn)不毛不燥,解析力很高。但對(duì)于動(dòng)態(tài)范圍較大的交響樂來(lái)說(shuō),本功放則顯得有些力不從心,但覺得低頻量感比較適中,能將各種樂器的輪廓刻畫出來(lái)。雖在大動(dòng)態(tài)時(shí)顯得遜色一些,因?yàn)樗吘怪挥?span lang="EN-US">15W的有效值功率。因此它作為家庭欣賞音樂用極為合適,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的 。