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音频功率放大器的发展史

菜鸟
2009-04-18 18:27:51    评分

 

音频功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域,几十年来,人们为之付出了不懈的努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至于思想认识上都取得了长足的进步。回顾一下功率放大器的发展历程,对我们广大音响爱好者来说也许是一件饶有趣味的事情。

一、早期的晶体管功放   半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。自从有了晶体管,人们就开始用它制造功率放大器。早期的放大器几乎全用锗管来制作,但由于锗管工艺上的一些原因,使得放大器中所用的晶体管,尤其是功放管性能指标不易做得很高,例如,共发射极截止频率fh的典型值为4kHz,大电流管的耐压值一般在30V一40V左右。这样,放大器的频率响应也就很狭窄,其3dB截止频率通常在10kHz左右,大大影响了音乐中高频信号的重现。再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约,制作较大功率的 OTL或OCL放大器不易寻到三个指标都满足要求的管于,所以不得不采用变压器耦合输出。变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难,谐波失真得不到充分的抑制,因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。“还是胆机规声”,这种看法的确事出有因(ic datasheet)。
二、晶体管功放的发展和互调失真   随着半导体工艺的逐渐成熟,大电流、高耐压的晶体管品种日益增加,越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的 OCL电路或 OTL电路(图一)。 最初的大功率 PNP管是锗管,而 NPN管是硅管,两者的特性差别非常显著,电路的 对称性很差,人们更多采用的是图二所示的准互补电路,通过小功率硅管 Q1与一只大功率的 NPN硅管 Q2复合,得到一只极性与PNP管类似的大功率管,降低了电路因对称性差而招至的失真。 到了六十年代末,大功率的 PNP硅管商品化的时候,互补对称电路才得到广泛的应用。元器件的进步使晶体管功率放大器的技术指标产生了质的飞跃,在主观音质评价方面,也改变了过去人们对晶体管功放的看法,无论是在厅堂扩音、电台节目制作还是家庭重放,晶体管功放都被大量地采用,首次在数量上以压倒性的优势超过了电子管功放。在商品化的晶体管扩音机中,相继出现了一些摧琛夺目的名机,如 JBL的 SA600, Marantz互补对称电路MOdel15等等。    尽管电子管的拥护者仍大量存在,人们毕竟能够比较公正地看待晶体管放大器了,认为晶体管机频响宽阔,层次细腻,与电子管机比较起来有一种独特的舱力,而不是简单的谁取代谁的问题。    瞬态互调失真的提出是认识上的一次飞跃七十年代,功率放大器的发展史中出现了一件最引人注目的事情,这就是瞬态互调失真 (Transient lntermodulation)及其测量方法的提出。1963年,芬兰 Helvar工厂的一名工程师在制作一台晶体管扩音机时,由于接线失误,使电路的负反馈量减少了,后来却意外地发现负反馈量减少后的音质非常好,客观技术指标较差,而更正错误以后的线路尽管技术指标提高了,音质反而比误接时明显下降。 这一现象引起了当时同一工厂的 Mr.Otala的重视,之后,他对此进行了悉心研究,于1970年首先发表丁关于晶体管功率放大器瞬态互调失真(TIM)的论文。至 1971年,Otala博士及其研究小组就 TIM失真理论发表的论文已经超过20篇,引起了电声界准互补电路人士的广泛反响。    瞬态互调失真的大意是这样的:    在直接耦合的晶体管放大电路中,为了得到很小的谐波失真度和宽阔平坦的频率响应,通常对整体电路施加深达40dB一60dB的负反馈,倘若在加负反馈前放大器的开环失真为10%,那么加上40dB的负反馈后,失真即可降低至0.1%,这是电子管功效难以做到的。 晶体管功放由于要施加40dB。60dB的负反馈,所以对一台增益要求为26dB的放大器,它的开环增益就要达到66、86dB(电子元件采购网 )。 如此高的增益之下引入深度负反馈,电路势必会产生自激振荡,因而需要进行相位补偿,一般是在推动级晶体管的集电极——基极之间接接一个小电容 C,破坏自激振荡的相位条件,形成所谓“滞后补偿”,    当放大器输入端输入持续时间非常短的过渡性脉冲时,由于电容 C需要充电时间,所以推动管集电极电压要经过一段时间延迟方能达到最大值,见图四。显然,在电容 C充、放电期间,输出电压 V。将达不到应有的电压值,输入级也不可能得到应有的反馈电压 Vf,因而,在过渡脉冲通过输入级的瞬间,输入级将处于负.反馈失控状态,致使输入级严重过载,输出将严重削波(图三 a点),引起过渡脉冲瞬时失真(图五)。如果过渡脉冲波形上还叠加有正弦信号,输出端还会得到很多输入信号频谱不存在的互调频率成份,这就是 TIM失真。    TIM失真和音乐信号也有密切关系,音量大、频率高的节目信号容易诱发 TIM失真。严重的 TIM失真反映在听感上类似高频交选失真,而较弱的 TIM失真给人以“金属声”的不快感觉,导致音质劣化。至今,音响界对于 TIM失真都还有争议,但这毕竟是人们认识的深化,它使后来放大器的设计思想发生了根本性的变化,即更加注重放大器的动态性能而不是仅仅满足于静态技术指标的提高。

    三、功放输入级——差动与共射-共基    对称和平衡是电路发展的方向对称和平衡也许是世上事物完美的标志之一 (手机论坛) 。音乐讲究各声部之间的乎衡与统一,美术以色彩搭配均衡、和谐为美,在服装设计中,常常采取看似不对称的设计,其实质也是为了取得视觉上的均衡。上面所说的都是艺术,对称和平衡给人一种安定、完美的感觉。有意思的是,在功率放大器中,对称和平衡也有类似的效果。    最初采用对称设计的例子要算互补对称电路了,一上一下的两只异极性晶体管作推挽输出,不仅可以免除笨重的输出变压器,而且电路的偶次谐波失真在推挽的过程中被抵消了,保真度有了很大提高。稍后,人们从运算放大器的设计中得到启迪,将左右对称的差动式电路用于功率放木器的输入级,电路的稳定性和线性都得到改善,这时的电路结构如图六所示,这一结构直至今天都还有人采用。 如果以现代的眼光来审评,这一电路是显得过时了一点。电路的主要缺陷在于电压推动级,因为 Q1承担了提供电压增益的主要任务,必然是开环失真很大,频带狭窄。此图六 典型的 OCL放大器外,单管放大的过载能力也很差,这一系列的缺点是不利于电路的动态性能的。围绕着改进电压推动级的性能,人们相继提出了多种结构,共射——共基电路就是一个典型的例子。    共射——共基电路又叫“猩尔曼”电路,它原先是高频电路中广为采用的结构,但用于音频电路中同样可以发挥出色的性能。首先是它的宽频响,由于共基放大管 Qs非常低的输入阻抗,使 Q,丧失了电压增益,弥勒效应的影响就非常微弱(IC电子元件 资料查询)。 宽频响的推动级拉开了与输入级极点的距离,相位补偿变得很’容易,而且电容 C的容量可以大大减小,这对于改善 TIM失真是很有利的。 第二个优点是电路的高度线性:共基极电路的输出特性也可以清楚地显示出这一点,有人作过测试,共射一共基电路的失真度比单管共射电路要低一个数量级。    依然是一种不平衡的设计,这一限制来源于输入级。如果把输入级变动一下,从互补推挽的 Q:和Qg的集电极输出信号,那么电压推动级就可以在图七的基础上再增加一组 NPN管构成的共射一共基电路,做到推挽输出,这时电路也就非常对称平衡了,几乎达到了完美的程度。    当今许多最先进的功率放大器采用的也是这种电路结构。图八是另一种电压推动级的形式,其输入信号来自图六中的 Ql和 Qs,当然此时 Qz必须加上集电极负载电阻。电压推动级也采用对称的差动放大,这不仅可以改善输入级的平衡性,提高放大能力和共模抑制比,而且同样可以降低推动级的失真,因为差动式放大电路当输入在一定的范围内时具有线性的传输特性,有的电路还在 Qn、 Qz的发射极串人负反馈反阻,更加扩大了线性范围。 Q2和Qd构成镜像电流源,把 Q,的集电极电流转移到 Qz上,所以尽管是单端输出,电流推动能力却比原来增大了一倍。 PIONEER的M22K功率放大器就是采用的这种电路结构,取得了非常好的效果。对称和平衡不仅体现在电路的结构上,还表现于元器件的参数上。差动电路是集成运放中广泛采用的结构,其性能是建立在两只差分管 Hrs和 Vss精确匹配的基础之上。同样,推挽电路中,如果两只异极性的晶体管特性不一致时,对波形的两个半周就不能做到一视同仁地放大,这将增力D电路的失真度。    随着节目源的变化,音乐中包含大量瞬变、高能量的成份,要完美地重现这些细节,就要求放大器具有良好的动态响应,对晶体管配对的要求就不仅是静态的 HrR和 VBE匹配,而且在动态时也要高度匹配,这无疑对元器件参数的平衡提出了更苛刻的要求。 幸运的是,半导体技术的进步为我们提供了这种可能,各种各样的差分对管、晶体管阵列陈出不穷,单个的晶体管一致性也得到较大提高。正是这些优质的元器件,让对称电路设计的优点得以充分体现,今天看到一台全无负反馈的电路也不会觉得惊讶,因为已经有足够好的开环性能了,又何必为了几个仪器上的数据去牺牲放大电路的动态响应呢?

   
   




关键词: 音频     功率放大器     发展史     晶体管     放大器     输出         

菜鸟
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