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回顧功放歷史 功率放大器發(fā)展迅速

2020/5/8 15:10:12

音頻功率放大器是一個技術已經(jīng)相當成熟的領域，幾十年來，人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?，無論從線路技術還是元器件方面，乃至于思想認識上都取得了長足的進步。回顧一下功率放大器的發(fā)展歷程，對我們廣大音響愛好者來說也許是一件饒有趣味的事情。

    一、早期的晶體管功放

    半導體技術的進步使晶體管放大器向前邁進了一大步。自從有了晶體管，人們就開始用它制造功率放大器。

    早期的放大器幾乎全用鍺管來制作，但由于鍺管工藝上的一些原因，使得放大器中所用的晶體管，尤其是功放管性能指標不易做得很高，例如，共發(fā)射極截止頻率fh的典型值為4kHz，大電流管的耐壓值一般在30V一40V左右。這樣，放大器的頻率響應也就很狹窄，其3dB截止頻率通常在10kHz左右，大大影響了音樂中高頻信號的重現(xiàn)。再加上功放管的耐壓、電流和功耗三個指標相互制約，制作較大功率的OTL或OCL放大器不易尋到三個指標都滿足要求的管于，所以不得不采用變壓器耦合輸出。變壓器的相移又使電路中加深度負反饋變得很困難，諧波失真得不到充分的抑制，因此這一時期的晶體管放大器音質是很差的?！斑€是膽機規(guī)聲”，這種看法的確事出有因。

    二、晶體管功放的發(fā)展和互調失真

    隨著半導體工藝的逐漸成熟，大電流、高耐壓的晶體管品種日益增加，越來越多的功率放大器采用了無輸出變壓器的OCL電路或OTL電路(圖一)。最初的大功率PNP管是鍺管，而NPN管是硅管，兩者的特性差別非常顯著，電路的對稱性很差，人們更多采用的是圖二所示的準互補電路，通過小功率硅管Q1與一只大功率的NPN硅管Q2復合，得到一只極性與PNP管類似的大功率管，降低了電路因對稱性差而招至的失真。到了六十年代末，大功率的PNP硅管商品化的時候，互補對稱電路才得到廣泛的應用。元器件的進步使晶體管功率放大器的技術指標產生了質的飛躍，在主觀音質評價方面，也改變了過去人們對晶體管功放的看法，無論是在廳堂擴音、電臺節(jié)目制作還是家庭重放，晶體管功放都被大量地采用，首次在數(shù)量上以壓倒性的優(yōu)勢超過了電子管功放。在商品化的晶體管擴音機中，相繼出現(xiàn)了一些摧琛奪目的名機，如JBL的SA600，Marantz互補對稱電路MOdel15等等。

    盡管電子管的擁護者仍大量存在，人們畢竟能夠比較公正地看待晶體管放大器了，認為晶體管機頻響寬闊，層次細膩，與電子管機比較起來有一種獨特的艙力，而不是簡單的誰取代誰的問題。

    瞬態(tài)互調失真的提出是認識上的一次飛躍七十年代，功率放大器的發(fā)展史中出現(xiàn)了一件最引人注目的事情，這就是瞬態(tài)互調失真(Transientlntermodulation)及其測量方法的提出。1963年，芬蘭Helvar工廠的一名工程師在制作一臺晶體管擴音機時，由于接線失誤，使電路的負反饋量減少了，后來卻意外地發(fā)現(xiàn)負反饋量減少后的音質非常好，客觀技術指標較差，而更正錯誤以后的線路盡管技術指標提高了，音質反而比誤接時明顯下降。這一現(xiàn)象引起了當時同一工廠的Mr.Otala的重視，之后，他對此進行了悉心研究，于1970年首先發(fā)表丁關于晶體管功率放大器瞬態(tài)互調失真(TIM)的論文。至1971年,Otala博士及其研究小組就TIM失真理論發(fā)表的論文已經(jīng)超過20篇，引起了電聲界準互補電路人士的廣泛反響。
    瞬態(tài)互調失真的大意是這樣的：

    在直接耦合的晶體管放大電路中，為了得到很小的諧波失真度和寬闊平坦的頻率響應，通常對整體電路施加深達40dB一60dB的負反饋，倘若在加負反饋前放大器的開環(huán)失真為10％，那么加上40dB的負反饋后，失真即可降低至0．1％，這是電子管功效難以做到的。晶體管功放由于要施加40dB。60dB的負反饋，所以對一臺增益要求為26dB的放大器，它的開環(huán)增益就要達到66、86dB。

    如此高的增益之下引入深度負反饋，電路勢必會產生自激振蕩，因而需要進行相位補償，一般是在推動級晶體管的集電極——基極之間接接一個小電容C，破壞自激振蕩的相位條件，形成所謂“滯后補償”，

    當放大器輸入端輸入持續(xù)時間非常短的過渡性脈沖時，由于電容C需要充電時間，所以推動管集電極電壓要經(jīng)過一段時間延遲方能達到最大值，見圖四。顯然，在電容C充、放電期間，輸出電壓V。將達不到應有的電壓值，輸入級也不可能得到應有的反饋電壓Vf，因而，在過渡脈沖通過輸入級的瞬間，輸入級將處于負．反饋失控狀態(tài)，致使輸入級嚴重過載，輸出將嚴重削波引起過渡脈沖瞬時失真(圖五)。如果過渡脈沖波形上還疊加有正弦信號，輸出端還會得到很多輸入信號頻譜不存在的互調頻率成份，這就是TIM失真。

    TIM失真和音樂信號也有密切關系，音量大、頻率高的節(jié)目信號容易誘發(fā)TIM失真。嚴重的TIM失真反映在聽感上類似高頻交選失真，而較弱的TIM失真給人以“金屬聲”的不快感覺，導致音質劣化。至今，音響界對于TIM失真都還有爭議，但這畢竟是人們認識的深化，它使后來放大器的設計思想發(fā)生了根本性的變化，即更加注重放大器的動態(tài)性能而不是僅僅滿足于靜態(tài)技術指標的提高。

    三、功放輸入級——差動與共射-共基

    對稱和平衡是電路發(fā)展的方向對稱和平衡也許是世上事物完美的標志之一。

    音樂講究各聲部之間的乎衡與統(tǒng)一，美術以色彩搭配均衡、和諧為美，在服裝設計中，常常采取看似不對稱的設計，其實質也是為了取得視覺上的均衡。上面所說的都是藝術，對稱和平衡給人一種安定、完美的感覺。有意思的是，在功率放大器中，對稱和平衡也有類似的效果。

    最初采用對稱設計的例子要算互補對稱電路了，一上一下的兩只異極性晶體管作推挽輸出，不僅可以免除笨重的輸出變壓器，而且電路的偶次諧波失真在推挽的過程中被抵消了，保真度有了很大提高。稍后，人們從運算放大器的設計中得到啟迪，將左右對稱的差動式電路用于功率放木器的輸入級，電路的穩(wěn)定性和線性都得到改善，這時的電路結構如圖六所示，這一結構直至今天都還有人采用。如果以現(xiàn)代的眼光來審評，這一電路是顯得過時了一點。電路的主要缺陷在于電壓推動級，因為Q1承擔了提供電壓增益的主要任務，必然是開環(huán)失真很大，頻帶狹窄。此圖六典型的OCL放大器外，單管放大的過載能力也很差，這一系列的缺點是不利于電路的動態(tài)性能的。圍繞著改進電壓推動級的性能，人們相繼提出了多種結構，共射——共基電路就是一個典型的例子。

    共射——共基電路又叫“猩爾曼”電路，它原先是高頻電路中廣為采用的結構，但用于音頻電路中同樣可以發(fā)揮出色的性能。

    首先是它的寬頻響，由于共基放大管Qs非常低的輸入阻抗，使Q，喪失了電壓增益，彌勒效應的影響就非常微弱。寬頻響的推動級拉開了與輸入級極點的距離，相位補償變得很’容易，而且電容C的容量可以大大減小，這對于改善TIM失真是很有利的。第二個優(yōu)點是電路的高度線性：共基極電路的輸出特性也可以清楚地顯示出這一點，有人作過測試，共射一共基電路的失真度比單管共射電路要低一個數(shù)量級。

    依然是一種不平衡的設計，這一限制來源于輸入級。如果把輸入級變動一下，從互補推挽的Q：和Qg的集電極輸出信號，那么電壓推動級就可以在圖七的基礎上再增加一組NPN管構成的共射一共基電路，做到推挽輸出，這時電路也就非常對稱平衡了，幾乎達到了完美的程度。

    當今許多最先進的功率放大器采用的也是這種電路結構。圖八是另一種電壓推動級的形式，其輸入信號來自圖六中的Ql和Qs，當然此時Qz必須加上集電極負載電阻。電壓推動級也采用對稱的差動放大，這不僅可以改善輸入級的平衡性，提高放大能力和共模抑制比，而且同樣可以降低推動級的失真，因為差動式放大電路當輸入在一定的范圍內時具有線性的傳輸特性，有的電路還在Qn、Qz的發(fā)射極串人負反饋反阻，更加擴大了線性范圍。Q2和Qd構成鏡像電流源，把Q，的集電極電流轉移到Qz上，所以盡管是單端輸出，電流推動能力卻比原來增大了一倍。PIONEER的M22K功率放大器就是采用的這種電路結構，取得了非常好的效果。對稱和平衡不僅體現(xiàn)在電路的結構上，還表現(xiàn)于元器件的參數(shù)上。差動電路是集成運放中廣泛采用的結構，其性能是建立在兩只差分管Hrs和Vss精確匹配的基礎之上。同樣，推挽電路中，如果兩只異極性的晶體管特性不一致時，對波形的兩個半周就不能做到一視同仁地放大，這將增力D電路的失真度。

    隨著節(jié)目源的變化，音樂中包含大量瞬變、高能量的成份，要完美地重現(xiàn)這些細節(jié)，就要求放大器具有良好的動態(tài)響應，對晶體管配對的要求就不僅是靜態(tài)的HrR和VBE匹配，而且在動態(tài)時也要高度匹配，這無疑對元器件參數(shù)的平衡提出了更苛刻的要求。幸運的是，半導體技術的進步為我們提供了這種可能，各種各樣的差分對管、晶體管陣列陳出不窮，單個的晶體管一致性也得到較大提高。正是這些優(yōu)質的元器件，讓對稱電路設計的優(yōu)點得以充分體現(xiàn)，今天看到一臺全無負反饋的電路也不會覺得驚訝，因為已經(jīng)有足夠好的開環(huán)性能了，又何必為了幾個儀器上的數(shù)據(jù)去犧牲放大電路的動態(tài)響應呢?

    四、放大器的電源與甲類放大器

    極端重視電源的現(xiàn)代放大器“放大器不過是電源的調制器”，這句話道出了放大的實質。

    既然如此，又有什么理由不引起對電源的高度重視呢。電源部份作為推動揚聲器發(fā)聲的源泉，再也不應象過去那樣隨便找個整流電源接上了事。對電源的要求有兩個方面，即紋波噪聲小，輸出能力強。噪聲小比較容易辦到，只要加大濾波電容器的容量就可以，但是要做到輸出能力強卻不簡單。

    首先要加大電源變壓器的容量，這是過去一些放大器生產廠所不樂意的，因為加大電源變壓器容量會使成本大量增加，整機的重量和體積也會加大；但現(xiàn)在聽小喇叭的人越來越多，這些小喇叭大多效率很低，有些名牌音箱如CelestionSI一6O0或Ro3ersLS3／5a，十分大食難推，再加上現(xiàn)代節(jié)目信號中常常出現(xiàn)一些炮彈爆炸，鑼鼓敲擊的聲音，對放大器是一個極為嚴峻的考驗，同樣兩臺100W的放大器，一臺可能讓你感覺到大炮地動山搖的震撼力，而另一臺可能象是破鼓在“咐咐”作響。

信息來源：神州音響