場效應管特性及單端甲類功放製作

  場效應管控制工作電流的原理與普通晶體管完全不一樣，要比普通晶體管簡單得多，場效應管只是單純地利用外加的輸入信號以改變半導體的電阻，實際上是改變工作電流流通的通道大小，而晶體管是利用加在發射結上的信號電壓以改變流經發射結的結電流，還包括少數載流子渡越基區後進入集電區等極為複雜的作用過程。場效應管的獨特而簡單的作用原理賦予了場效應管許多優良的性能，它向使用者散發出誘人的光輝。

一、場效應管的特性
    場效應管與普通晶體管相比具有輸入阻貳高、雜訊係數小、熱穩定性好、動態範圍大等優點。它是一種壓控器件，有與電子管相似的傳輸特性，因而在高保真音響設備和集成電路中得到了廣泛的應用，其特點有以下一些。

1. 高輸入阻貳容易驅動，輸入阻貳隨頻率的變化比較小。輸入結電容小(反饋電容)，輸出端負載的變化對輸入端影響小，驅動負載能力強，電源利用率高。
2. 場效應管的雜訊是非常低的，雜訊係數可以做到1dB以下，現在大部分的場效應管的雜訊係數為0.5dB左右，這是一般晶體管和電子管難以達到的。
3. 場效應管具有更好的熱穩定性和較大的動態範圍。
4. 場效應管的輸出為輸入的2次冪函數，失真度低於晶體管，比膽管略大一些。場效應管的失真多為偶次諧波失真，聽感好，高中低頻能量分配適當，聲音有密度感，低頻潛得較深，音場較穩，透明感適中，層次感、解析力和定位感均有較好表現，具有良好的聲場空間描繪能力，對音樂細節有很好表現。
5. 普通晶體管在工作時，由於輸入端(發射結)加的是正向偏壓，因此輸入電阻是很低的，場效應管的輸入端(柵極與源極之間)工作時可以施加負偏壓即反向偏壓，也可以加正向偏壓，因此增加了電路設計的變通性和多樣性。通常在加反向偏壓時，它的輸入電阻更高，高達100MΩ以上，場效應管的這一特性彌補了普通晶體管及電子管在某些方面應用的不足。
6. 場效應管的防輻射能力比普通晶體管提高10倍左右。
7. 轉換速率快，高頻特性好。
8. 場效應管的電壓與電流特性曲線與五極電子管輸出特性曲線十分相似。

    場效應管的品種較多，大體上可分為結型場效應管和絕緣柵場效應管兩類，且都有N型溝道(電流通道)和P型溝道兩種，每種又有增強型和耗盡型共四類。
    絕緣柵場效應管又稱金屬(M)氧化物(O)半導體(S)場效應管，簡稱MOS管。按其內部結構又可分為一般MOS管和VMOS管兩種，每種又有N型溝道和P型溝道兩種、增強型和耗盡型四類。
    VMOS場效應管，其全稱為V型槽MOS場效應管，是在一般MOS場效應管的基礎上發展起來的新型高效功率開關器件。它不僅繼承了MOS場效應管輸入阻貳高(大於100MΩ)、驅動電流小(0.1uA左右)，還具有耐壓高(最高1200V)、工作電流大(1.5～100A)、輸出功率高(1～250W)、跨導線性好、開關速度快等優良特性。目前已在高速開關、電壓放大(電壓放大倍數可達數千倍)、射頻功放、開關電源和逆變器等電路中得到了廣泛應用。由於它兼有電子管和晶體管的優點，用它製作的高保真音頻功放，音質溫暖甜潤而又不失力度，備受愛樂人士青睞，因而在音響領域有著廣闊的應用前景。VMOS管和一般MOS管一樣，也可分為N型溝道和P型溝道兩種、增強型和耗盡型四類，分類特徵與一般的MOS管相同。VMOS場效應管還有以下特點。

1. 輸入阻貳高。由於柵源之間是SiO2層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，一般達100MΩ左右，交流輸入阻貳基本上就是輸入電容的容抗。
2. 驅動電流小。由於輸入阻貳高，VMOS管是一種壓控器件，一般有電壓就可以驅動，所需的驅動電流極小。
3. 跨導的線性較好。具有較大的線性放大區域，與電子管的傳輸特性十分相似。較好的線性就意味著有較低的失真，尤其是具有負的電流溫度係數(即在柵極與源極之間電壓不變的情況下，導通電流會隨管溫升高而減小)，故不存在二次擊穿所引起的管子損壞現象。因此，VMOS管的並聯得到了廣泛的應用。
5. 頻率特性好。VMOS場效應管的多數載流子運動屬於漂移運動，且漂移距離僅1～1.5um，不受晶體管那樣的少數載流子基區過渡時間限制，故功率增益隨頻率變化極小，頻率特性好。
6. 開關速度快。由於沒有少數載流子的存儲延遲時間，VMOS場效應管的開關速度快，可在20ns內開啟或關斷幾十A 電流。

二、場效應管的主要參數及選用
    為了正確安全運用場效應管，防止靜電、誤操作或儲存不當而損壞場效應管，必須對場效應管主要參數有所了解和掌握。場效應管的參數多達幾十種，現將主要參數及含義列於表1，作為參考。

1. 場效應管的ID的參數按電路要求選取，能滿足功耗要求並略有餘量即可，不要認為越大越好，ID越大，CGS也越大，對電路的高頻響應及失真不利，如ID為2A的管子，CGS約為80pF；ID為10A的管子，CGS約為1000pF。使用的可靠性可通過合理的散熱設計來保證。
2. 選用VMOS管的源漏極耐壓BVDSS不要過高，能達到要求即可。因為BVDSS大的管子飽和壓降也大，會影響效率。結型場效應管則要儘可能高些，因為他們本來就不高，一般BVDSS為30～50V，BVGSS為20V。
3. VMOS管的BVGSS儘可能高些，因為VMOS管子柵極很嬌氣，很容易被擊穿，儲存或操作要慎之又慎，防止帶靜電的物體接觸管腳。在儲存中要將引出腳短路，並用金屬盒屏蔽包裝，以防止外來感應電勢將柵極擊穿，尤其要注意不能將管子放入塑料盒子或塑料袋中。為了防止柵極感應擊穿，在安裝調試中要求一切儀器儀錶、電烙鐵、電路板以及人體等都必須具有良好的接地效果，在管子接入電路之前，管子的全部引腳都必須保持短接狀態，焊接完畢後方可把短接材料拆除。
4. 配對管要求用同廠同批號的，這樣參數一致性好。盡量選用孿生配對管，使管子的夾斷電壓和跨導儘可能保持一致，使配對誤差分別小於3％和5％。
5. 儘可能選用音響專用管，這樣更能適合音頻放大電路的要求。
6. 在安裝場效應管時，位置要避免靠近發熱元件。為了防止管子振動，要將管子緊固起來，管腳引線在彎曲時，應當大於根部距離5mm處進行彎曲，以防止彎曲時拆斷管腳或引起漏氣而損壞管子。管子要有良好的散熱條件，必須配置足夠的散熱器，保證管子溫度不超過額定值，確保長期穩定可靠工作。

三、音頻放大器藝術魅力及評價
    音頻放大器按所用放大器件可分為電子管放大器、晶體管放大器、集成電路放大器、場效應管放大器以及由上述所用器件兩種或兩種以上組成的混合放大器，各類放大器電路及所用元器件也是五花八門、千變萬化，由此對音源的重放音質又各具特色，很難說哪一种放大器能以偏概全、技壓群芳成為萬能放大器。
    電子管放大器由於空間電荷的傳輸時滯作用，重放音色溫暖柔和，尤其是弦樂人聲，表現為醇美剔透，耐人尋味。晶體管以及集成電路放大器具有犀利的分析力、寬闊的頻響和強勁的動態，具有朝氣蓬勃、催人奮進的感召力。場效應管放大器以及混合器件放大器，力圖綜合電子管和晶體管音頻特性，開創異彩，讓樂聲更傳神，讓音色更完美。
    近些年來，隨著電子電腦技術的不斷發展，各種電子合成器、各種音頻效果器和膽音效果器軟體以及虛擬揚聲器技術層出不窮。這使得音頻放大器硬體的發展和普及遠遠趕不上軟體的速度，在精確度上硬體往往也趕不上軟體，如電腦模擬3D效果逼真度大大超過真實3D效果，不受聽音室的空間以及聲源合成的限制，同時也節省投入硬體的開支。
    綠色音響、雙料發燒—— 電腦音響很有可能會成為未來音響的主流，硬體不行軟體來，實行軟硬兼施，功能強悍，集中體現了高效、便捷、神奇以及經濟的特點。如在電腦中設置虛擬光碟機，每次播放樂曲時，就不必啟動物理光碟機，這樣不僅減少等待曲目時間及物理光碟機的磨損，更重要的是消除了物理光碟機的雜訊，實現高保真放音。再如，膽管功放放音柔和耐聽，而製作成本不薄，並且取得靚音的要件比較多，而通過膽音效果器軟體，可為我們在電腦中造就一個“軟膽”，就可以模擬出膽機的音色。目前電腦多媒體音響正處於進階時期，並與電視也架起了溝通的橋樑，其前景是十分燦爛誘人的!電腦以及音響發燒友，是一個不惜時間和精力，積極探索追求音質的特殊層面，將繼續擔起一份愛樂責任，生活中多一首甜美的歌聲，就少一幕苦澀的紛爭。無論是普通音響，還是電腦多媒體音響，功率放大器依然是音頻能量擴大推動揚聲器出聲不可或缺的終端，各類放大器均能較好地實現這一功能。不過現代人們對音響(技術因素為主，如頻率響應、失真度、信噪比等)和音樂(藝術魅力為主，如聲底是否醇厚、堂音是否豐富、聽感是否順耳等)的苛求愈來愈高，不少“金耳朵”能夠聽出歌手的齒音、口角以及身臨其境、直逼現場的感覺，因此對音頻放大器重放音色也寄予更大的要求，努力以特色音響塑造迷人的音樂氛圍。
    各類音頻放大器具有各自的優點及屬性，也各有其不足之處，而場效應管放大器主流兼具晶體管和電子管兩者的優勢，同時還具備兩者所沒有的優勢。在電路程式上，大量實踐證明，單端甲類功放是以效率換音質的典範，具有無與倫比的音樂魅力。不少發燒友從單純追求音質出發，反複製作功放，反覆對比聽音，最終為A類所動，似乎覺得沒有A類的音樂猶如孤獨的音樂。

四、單端甲類放大器性能芻議
    放大器按工作狀態的不同一般可分為3類：①A類放大器，又稱為甲類放大器；② AB類放大器，又稱為甲乙類放大器；③B類放大器，又稱為乙類放大器。在這3類放大器中，線性最好，音色最靚的是A類放大器，而單端甲類放大器與推挽放大器在設計上一個不同之處，就是使用一個放大器件來放大整個音樂波形。而推挽設計採用兩個放大器件，分別放大信號的正負半周，包括一些推挽甲類放大器。單端甲類放大與推挽放大一個顯著的不同特徵就是放大后的音樂波形是一個完整的與輸入波形十分相似的波形，沒有推挽放大正負波形的交越失真，儘管推挽放大採用配對精度高達2％ 誤差甚至更小誤差的孿生管，但這只是一個片面性的數字描述，事實上正負波形不可能交接得好，加之電路元器件非線性引起的相移存在，交越失真將進一步增大，當然失真與音色在一定程度上並不對立，這要看設計放大器的用途和目標，並非推挽放大就此罷休，況且推挽放大器中，由於存在多次諧波，雖然原配正負波形交接不好，但諧波交接不能否定，只是與單端波形相比難以抗衡。
    關於推挽放大諧波尤其是偶次諧波會相互抵消這一說法，筆者不予完全認同，只有相移失真達180°或360°等諧波成分才會相互抵消。如推挽功放中的直流高壓中的交流紋波經推挽變壓器中心抽頭平均分成兩路，由於兩臂線圈極性相反，相差180°，交流紋波幾乎被完全抵消。
    單端甲類放大器具有最自然的音樂性，其不對稱性與空氣受壓縮與擴展的特性相似。由於組成空氣含量最多的為非極性分子氮氣(N2)，約佔78％，因此空氣是壓強能變得非常高的“單端無極”媒介，使得單端A類樂聲最傳神，音色最醇美。