純甲類末級無反饋功率放大器

    本文介紹的是一種輸出級採用MOS-FET、純甲類的末級無負反饋功率放大器，該功率放大器的輸出功率為100W/4Ω。
    圖1是放大器的電路圖，圖2是電源部分的電路圖。由於驅動級向輸入級的反饋電路採用了電阻分壓方式，所以是一個地道的直流放大器。該放大器為了提高直流穩定性。加大了從驅動級反饋回輸入級的負反饋量，負反饋電路由1.1kΩ和10kΩ兩隻電阻組成，電壓放大級的增益約為10倍。與用電容器構成負反饋電路的交流放大器相比，用電阻構成負反饋電路的直流放大器的聽覺效果要更好一些。

  

一、音量控制
    該放大器為了能與CD機等聲源作直接連接，在輸入端增加了一個音量電位器。通常音量電位器接法如圖3(a)所示，但該機採用的是圖3(b)所示的電流傳輸型連接方式。在國3(b)的電路中由於R1選取得較大，可將包括R1在內的信號源看成是一個恆流源，通過調節R2使輸出電平產生變化。這種連接方法由於滑動點接地，所以對改善信噪比有利。
 
    但音量電位器作這樣連接也有它的不足之處。對信號源來說，調動音量電位器時信號源的負載將隨之產生變化，增大音量時放大器的輸出阻抗隨之增加。當將音量減小至零時，放大器的輸入阻抗則等於R1。由此可知R1是一個重要的參數，取值不能太小。
    R1取值小一些對信噪比和頻率特性有利，但有可能加重信號源的負載。R1取值大一些則對減輕信號源負載有利。綜合考慮之後該放大器電路的製作者認為在5kΩ～20kΩ之間選取較為適宜。於是在電路中將R1取為5kΩ。
    由於音量電位器也選用了5kΩ(也可以用得大一些)的電位器，放大器本身的電壓增益為10倍，加上音壁電位器后，總的電壓增益最大為5倍。

二、輸人級和電壓放大級
    輸入級選用了東芝公司的最新型低雜訊對管2SK389/2SJ109。電路中使用的是GR級管子。也可以使用BL級的管子，只是使用時應將漏極靜態電流適當調大一些增至1.5mA左右。該機的漏極靜態電流取為1mA。
    由於將每個輸出管的靜態工作電流設計為0.44A，從輸出管2SK722和2SJ131的傳輸特性知FET柵源間的偏置電壓應為2.6V左右，上下兩管加起來約需5V。若再考慮到輸出管源極電阻0.22Ω上的電壓降，則末級的偏置電壓應在5V以上。
    偏置電路參數的估算步驟如下，將2SK213/2SJ76的漏極電流取為25mA，其偏置電壓為1V左右。將2SC2856/2SA1191的集電極電流取為2mA。由此計算出2SK213/2SJ76的源極電阻均為100Ω。為了便於調整將2SK213/2SJ76柵極間的電阻用2kΩ，半可變電阻和2.2kΩ固定電阻串聯組成。

三、末級MOS-FET
    該機電路中末級MOS-FET原打算使用東芝公司生產的2SK405/2SJ115，由於沒有購買到，所以改用了索尼公司的2SK722/2SJ131。也可以使用東芝公司的2SK1530/2SJ201(管腳與索尼管相同)，或日立公司的2SK1056/2S1160(管腳從左至右為G、S、D)。若使用日立公司的2SK1056/2SJ160，電路的偏置電壓過大，應將2SK213/2SJ76柵極間的固定電阻換成1kΩ。
    順便提一句，該機為了降低雜訊和減小失真，最後將流經Q7、Q8的集電極電流改為1.87mA。

四、製作
    放大器的印刷電路板如圖4所示。
 
 
    輸入電阻可在5kΩ～20kΩ間任意選擇，音量電位器也可在5kΩ-20kΩ間選擇。
    印刷電路板上輸入級FET、柵極的串聯1kΩ電阻可在100～1kΩ內選取。220pF、電容可在100～220pF間選取。150kΩ也可在100kΩ～470kΩ間任意選取。如果正負電源連線不長的話，電路板上的兩個100uF/50V去耦電容器不用也沒有什麼關係。
    共源-共基電路的基極分壓電阻用得大一些效果要更好一些，可以考慮改用220kΩ和100kΩ替代電路中的110kΩ、50kΩ進行分壓。從改善信噪比、提高穩定性和改善CMRR考慮沒有採用過去常採用的恆流二極體和穩壓二極體的電路方式。
    電阻負反饋電路可根據需要選擇，選擇10kΩ和1.1kΩ時放大器增益為10倍，將10kΩ換成5kΩ時增益為5.5倍，換成20kΩ的話增益為19倍。當放大器負反饋量大增益較小時，為了防止放大器自激，應在圖1注有*的位置接入一個2～10pF的瓷介電容器進行相位補償。該機放大器增益為10倍，不接該電容器也不會發生自激。
    Q9、Q10柵極串接的100Ω的防振電阻可在47Ω～220Ω間任意選擇。Q9、Q10源極電路中接入的.0047uF、
100Ω串聯電路是防振用的，也可以用0.0022uF和200Ω串聯組成。
    輸出管柵極電路中所串入的220Ω電阻是防止自激振蕩和保護柵極用的。可在100Ω-470Ω間選擇。阻值大一些效果較好，但也不能過大，否則會與柵極輸入電容構成積分電路，導致高頻特性惡化。
    輸出端的0.047uF、30Ω的串聯電路是積分型相位補償電路，也可以用0.033uF和10Ω串聯的電路替代。
    半導體管的管腳連接如圖1所示。可用2SK146/2SJ73、2SK147/2SJ72、2SK170/2SJ74直接替代2SK389/
2SJ109。同樣可以用各種低雜訊小信號用晶體三極體替代2SC1775AE/2SA872AE、2SC2856/2SA1191。2SK213/2SJ76可用2SK214/2SJ77、2SK215/2SJ78、2SK216/2SJ79替代，這些管子特性相同，耐壓更高。
 
    末級MOS-FET除了前面提到過的代用管之外，還可以使用東芝公司的2SK1529/2SJ200，日立公司的2SK1057/2SJ161、2SK1058/2SJ162。若使用東芝公司的2SK1530/2SJ201，適當加大散熱片后，使用兩對管子就可滿足輸出功率的要求，當然此時管子的靜態電流應為0.88A。

五、調試
    按下述順序進行調試。
1、在焊接完印刷電路板后將全部VR調至中間位置。
2、檢查電源電路的空載輸出電壓，此時應為±35V左右。
3、將電源與電路板連接好。
4、接通電源，用萬用表測量Q8發射極750Ω電阻上的電壓降，調整VR1使其電壓降為1.4v。
5、將萬用表接在④-⑦端，檢查當旋動VR3時萬用表所示電壓能否在5V左右變動。該電壓是末級偏置電壓，應可在2.5V～6V間連續變化。
6、若上一步驟正常，將④-⑦端間的電壓調至最小。值得注意的是，調動VR1也能變動④-⑦端間的電壓，但VR1 是用來調整第二級放大級的靜態電流用的。末級偏壓的調整應使用VR3。
7、上述步驟全部完成後即可接入末級電路。接通電源后先調VR1使Q8發射極750Ω電阻上的電壓降為1.4V。再調VR3使末級輸出管的源極電阻0.22Ω兩端的電壓降為97mV，調VR2使放大器輸出端的電壓為零伏。由於上述調整相互間有影響，所以應重複幾次。由於末級輸出管參數的離散性，調試時應使靜態工作電流最大的管子的源極電阻電壓降為97mV，其餘管子均小於97mV。該機製作時電阻電壓降最小的為52mV。

六、特性
     該放大器的殘留雜訊不隨輸入端短路或者開路發生變化，均約0.4mV(平坦)、0.1mv(1HF-A曲線)。頻率特性如圖5所示，-3dB點為300kHz。阻尼係數在10Hz～100kHz範圍內是平坦的，約為50左右。用20kHz方波作容性負載測試也不存在任何問題，沒有出現自激現象。諧波失真率如圖6所示。
 
 

    從試聽結果來看該機末級採用的是MOS-FET，但聲音與前面介紹過的末級採用晶體三極體的末級無負反饋功率放大器非常相似，不仔細鑒別是無法將它們區分開的。