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历史发展

甲类功放

  石机最初的功放为甲类功放,这类功放的功放管的工作点选在管子的线性放大区,所以就算在没有信号输入的情况下,管子也有较大的电流流过,且其负载是一个输出变压器,在信号较强时由于电流大,输出变压器容易出现磁饱和而产生失真,另外为了防止管子进入非线性区,此类放大器往往都加有较深度的负反馈,所以这种功放电路效率低,动态范围小,且频响特性较差。

乙类推挽式功率放大器

  对此人们推出了一种乙类推挽式功率放大器,这类功放电路其功放管工作在乙类状态,即管子的工作点选在微道通状态,两个放大管分别放大信号的正半周和负半周,然后由输出变压器合成输出。所以流过输出变压器的两组线圈电流方向相反,这就大大地减少了输出变压器的磁饱和现象。另外由于管子工作在乙类状态,这样不仅大大的提高了放大器的效率且也大大的提高了放大器的动态范围,使输出功率大大提高。所以这种功放电路曾流行一时。但人们很快发现,此种功电路由于其功放管工作在乙类工作状态,所以存在小信号交越失真的问题,而且电路需使用两个变压器(一个输出变压器,一个输入变压器),由于变压器是感性负载,所以在整个音频段内,负载特性不均衡,相移失真较严重。

OTL的功率放大电路

  为此人们又推出了一种称为OTL的功率放大电路。这种电路的形式其实也是一种推挽电路形式,只不过是去掉了两个变压器,用一个电容器和输出负载进行藕合,这样一来大大的改善了功放的频响特性。晶体管构成的功放电路有了质的飞跃,后来人们又改良了此种电路,推出了OCL和BTL电路,这种电路将输出电容也去掉了,放大器与扬声器采取直接耦合方式,直到现在由晶体管组成的功放电路,其结构基本上是OCL电路或BTL电路。OCL电路与OTL电路不同之处是采取了正负电源供电法,从而能将输出电容取消掉。BTL电路是由两个完全独立的功放模块搭建组成,如图C所示。IC1放大输出的信号一部分通过IC2反相输入端,经IC2反相放大输出,负载(扬声器)则接在两放大器输出之间,这样扬声器就获得由IC1和IC2放大相位相差180度的合成信号了。

改良分析

  不论是OCLBTL功放电路,由于其去除了输出变压器和输出电容器,使放大器的频响得到展宽。与扬声器配接方面,当功率放大器连接一个标称阻抗低于其额定负载阻抗的音箱时,理论上将使输出功率增加,但这是有条件的,功放必须有足够小的输出内阻且必须有足够大的电流增益,电源能提供足够大的工作电流,否则不但不失真功率不能增加反而引致放大器性能下降。另一种情形是功率放大器连接一个标称阻抗高于其额定负载阻抗的音箱,这时似乎功率放大器会轻松些,其实也不尽然,如果放大器的电源电压容量不够大,重放时可能未到其额定输出功率就发生电压过载失真。另外扬声器音圈会产生感生电动势,这个感生电动势对扬声器的运动有阻尼作用,放大器的输出阻抗对扬声器所产生的感生电动势有旁路作用,从而能有效地抑制扬声器的感生电动势。

改良方法

  综上所述,晶体管功放要得到好的放声效果,就必须要有较低的输出阻抗,较大的电流增益,电源方面要能提供足够大的工作电流和较高的电源电压且瞬态效应好。

  为了使放大器具有较低的输出阻抗和较大的电流增益,功放的后级我们可用多对功率管并联来实现,并且选取耐压值尽可能高的功放管,使其能适应不同阻抗的负载。不过此举就要增加推动功率了,一台好的功放对电源的要求的苛刻的,为了能提高瞬态响应和提供足够的电流整流管要采用大电流开关型整流二极管(有人称为高速整流二极管),另外滤波电容要采用万μF以上的。由于功放在工作时产生的瞬态电流达10安(视功放机的功率而定)以上,后级的接触电阻和连线电阻均不能忽略,例如:电路存在0。1欧的交流阻抗,那么在10安电流的作用下就在其上产生1伏的交流电压,这个交流电压会藕合到前级,轻则产生交流干扰,重则会使放大器产生自激而损坏功放管。我们曾维修过多台大功率功放机,因整流二极管接触不良或滤波电容虚焊而造成烧坏功率管的。

  另外,由于大功率的功放机均具较高的增益,所以电源的去藕电路就非常重要,否则很容易产生交流声干扰。一般的功放机均要两级以上的LC滤波电路,且滤波电容的接地点的选取均有讲究。最后就是电源变压器了,现在的功放机其总体效率大概在50%--60%左右,所以所选择的电源变压器的功率的选取应为:扩音机的最大不失真功率/0。5例如:一台最大不失真功率为100瓦的功放机其电源变压器的功率应是100/0。5=200瓦。另外为了减少电源内阻和漏感对放大器的干扰,在电源变压器的设计上应尽量减少每伏匝数和选用高磁通率的铁芯。环牛(环形铁芯变压器)就是一种性能较好的变压器。

  功放机另一个参数---动态范围也关系重大。现在高档的数字化音源如CD机,DVD机由于采取了高比特率的数字量化,其输出的音源的动态范围达90db以上较传统录音机(40--70db)大。所以,功放机如果没有足够的动态范围与之相配就很容易产生切峰失真(削波效应),在切峰失真的信号波形中包含了极丰富的功率能量很大的高次谐波成份,它们加入到音箱中,其能量就极可能超过扬声器的承受功率而令其烧坏。所以在功率放大电路中,为了防止放大器进入削波状态,在电路上都加入了负反馈电路。负反馈电路虽然有效地防止了削波的产生,但它也使信号产生线性失真(幅度失真)和非线性失真(相移引起)。半导体器件制造在今天已经有了很大的进步,大动态范围的半导体器件已经问世,在此前提下,人们提出了无负反馈功率放大器的概念,由于不存在负反馈,放大器的保真度将进一步得到了较大的提高。

“前胆后石”功放

  采用前胆后石设计的HIFI功放效果比单纯的“胆机”或“石机”的效果要好。

  阐述“前胆后石”的概念,要从功放的放大原理来入手,在功率放大器的设计中,设计者将其内部分为前级放大和后级放大,所谓前级放大,其主要作用是对信号源传输过来的节目信号进行必要的处理和电压放大后,再输出到后级功放。它就像铁路岔道一样,控制切换哪一路音源信号接入功放,哪一路音源信号与功放断开;而后级放大则是单纯的功率放大部分,它的作用就是尽可能原原本本地放大来自于前级的信号,我们对后级的要求是,放大倍数尽可能高,而放大后信号的失真程度应尽可能低。除放大电路外,后级放大器中还设计有各种保护电路,如短路保护、过压保护、过热保护、过流保护等。

  理解了前、后级放大的概念之后,我们再来看看“前胆后石”中所指的“胆”和“石”,其实这两者所指的都是功率放大器中所使用的功率放大部件。所谓“胆”,其所指的就是电子管,采用电子管放大的“胆机”所发出的声音高音亮丽、中频饱满、低音醇厚且富有弹性,这种较为“温暖”的声音特点是在回放纯音乐或人声、等音乐时最为人耳所喜爱的,但是电子管功放最大的弊端就在于其声音“速度感”不强,在播放节奏较快的音乐时并不能让人十分满意;而所谓“石”,其所指的就是晶体管,采用晶体管的放大器被称为“石机”,石机最大的特点就是“速度感”较强,输出功率强劲,但在声音的温暖度上不及“胆机”,音乐回放效果相比起“胆机”显得生硬,并不是十分耐听。

  在功放的前级放大部分采用电子管放大声音信号,能够使输入的声音信号具有良好的声音表现和高动态范围,具有音色自然、逼真的特点,而在后级功率放大部分采用晶体管放大则能够保证输出的声音信号的速度和功率,这种设计能够集两种放大技术的优点于一身,HIFI发烧友自然会对采用这种设计理念的功放产品情有独钟。

石机功放制作(图)

一、胆石混合功放

  原理图如图1所示,笔者选用和田茂士线路作电压放大,场效应管作电流放大。其实,一些优秀的胆前级电路很适合作电压放大,特别是和田茂士SRPP输出线路,具有极低的输出阻抗和较强的负载能力。末级仅作0dB线路放大,电压放大级与电流放大级用电容进行信号耦合。

  笔者仍采用《电子报》今年第1期胆机制作文章介绍的电源板,而重点改进在用料上,即把原高压滤波所用全部电解用若干个1μF~10μF/400V的EC薄膜电容及金龙MKT电容并联代替。主板仍然可用国产电子管组装(A型板),发烧友也可用全新俄罗斯12AX7、12AT7(B型板)或欧洲管升级。信号耦合电容还可用维他命Q电容或其他顶级电容摩机。

  制作时为便于装配及摩机,共使用两台机箱,胆前级与0dB后级各装配一台,两台独立调试。其中后级每声道使用了4对K1529/J200,每声道各用1只500W环形变压器供电,采用外置散热器机箱,尺寸达480mm×430mm×150mm,为制作大功率甲类功放创造了条件。两台机箱用信号线连接。当分开时,和田茂士电压放大部分即可单独作为一台胆前级使用。

  该功放具有声场宏大,定位准确,音色甜美,印证了“简洁至上”这一名言。

  该功放不足之处是成本较高,体积较大,一般通用机箱不易装配,发烧友需量力而行。

二、石机混合功放

  原理图如图2所示,该方案组合主要是从降低成本及减小体积方面考虑的。

  由于大功率场效应管售价较高,业余条件较难配对。为此,笔者采用了大功率场效应管推动大功率三极管。由于大功率三极管售价低,易配对,从而降低了制作难度。并且场效应管参与功率输出,推动级静态电流高达300~600mA,从推动级开始,功放便工作在甲类状态。

  同样,电压放大部分可选用图1的和田茂士前级电路。从减小体积出发,笔者使用了专门针对SACD与DVD-Audio而制作的电压放大模块,左右声道各一块,尺寸仅11cm×8cm,便于与末级电流板装配在一个机箱内。该模块制作的功放带宽达5Hz~150kHz,总谐波失真在0.01%以下。若发烧友不想投资过大,象发烧友手头都有的TDA7294、LM4766、LM1875等功率运放,只要将其配图1或图2所示的0dB放大极,降低末级0dB部分供电电压,即可制作出10~60W的纯甲类功放,其音色定会给你耳目一新。

  推荐摩机:若图1中的和田茂士电路搭配图20dB后级,0dB后级所用对管2SC3858/2SA1943(250W)增加至4对,提高0dB后级工作电压为70~100V,那么,只要电源能量供应充足,散热通畅,业余条件下完全可以轻易制作出乙类300~500W(8Ω)、甲类:30~100W(8Ω)这类巨无霸功放。虽然大多数发烧友并不需要数百瓦的功率,但是只有储备功率越大,静态电流越大,功放的内阻才会越低。在额定输出功率内具有较强的驱动负载能力和优秀的频率响应,才更易推动音箱和控制音箱。特别是一些进口名牌顶级音箱,用巨无霸功放推动显得更为重要。笔者认为只要功放输出功率能达到150W×2(8Ω、乙类)、30W×2(8Ω、甲类),就能推动好大多数名牌音箱。

  另外,发烧友还可用其他靓声功率管如K851、SAP15N/SAP15P、MJE15024/MJE15025作0dB放大。

三、电流反馈功放

  原理简图如图3所示,该线路采用了真正的电流负反馈电路,有别于报刊介绍的在负反馈环路中增加取样电阻一类电路。众所周知,电流反馈具有宽频、高速、低失真的特性,所以日本金嗓子名机中大量使用此技术。这里仅给出简化示意图,其末级采用三级电流放大,使用摩托罗拉专用驱动管MJE15030/MJE15031,驱动负载轻松自如。

四、电压反馈功放

  在这里仍采用《电子报》今年第8期《轻松制作靓声甲类功放》一文中的电压放大线路,主要改动在后级电路,原理简图如图4所示,在此用示意图代替电压放大部分。电流推动级采用了日立公司最新120W大功率场效应管K2221/J352,并且推动级电流高达300mA,反馈点改在输出端,为大环路负反馈,选取合适的R阻值即是一部前馈式功放电路。该线路板包括的预推动级、推动级、末级电流放大级及温度补偿三极管,应全部固定在散热器上。K2221/J352若不易购到可用K1058/J162或K1529/J200代换。该功放音色保持了MOS管的声音特色,低频力度强劲,解析力高。

  以上四种后级电路均可在30~60V内供电,0dB后级可提升工作电压。电流放大印板均为双单声道设计,每声道预留有4对大功率管的位置,发烧友应根据散热器面积、变压器功率及所需功率(P乙=U2/2R,P甲=2I2静·R)选取功率管对数及其静态电流。对于63V以下的滤波电容,ELAN、松下、诺华当然是首选。对于容量10000μF耐压100V的发烧电解,市面上选择余地不多,即使能购到某些音响专用品牌,其售价也相对较高,从性价比方面考虑,笔者选用若干ELAN470μF/100V、BENNIC1000μF/100V、BENNIC2200μF/100V电容并联使用,降低输出容抗,其性能比某些音响专用大容量电解还好。

电源变压器的选择

  对于电源变压器,发烧友应选漏磁小、效率高、发热量低、A级材料制作的优质产品。无论是环形还是方形变压器,其售价都相对较高,市面上一些低价位通用产品应慎用,发烧友应购买优质产品或到生产厂家订做。

电源影响

  若要挖掘以上功放的潜力,发烧友可试着从电源方面着手考虑,比如电压放大部分和电流放大部分均用稳压电源供电。音响器材中还可加入电源滤波器与高精度电源稳压器,这些器材国产品牌众多,选择余地较大,其带来的好处是音响系统异常宁静,还可增添许多音响细节,十分超值。

后记

  当然,如有条件,末级电容滤波可完全用数十只乃至数百只薄膜电容并联滤波,但其体积是巨大的,成本也是惊人的,好在市面上有许多二手薄膜电容可供选择,价格也在发烧友的经济承受能力之中。薄膜电容所营造的声场是许多号称“音响专用”的电解所无法比拟的。

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