光耦合V-MOS场效应管甲类音频功率放大电路

光耦合V-MOS场效应管甲类音频功率放大电路,Audio power amplifier

  作者：李顺复 　电子管放大器的音色之所以优美，是因电子管的高输入阻抗和恒流输出特性而决定的。但电子管有它固有的缺点：随着使用时间的增长，阴极物质不断挥发，其跨导逐渐降低，且降低的程度各管不一。用电子管测试仪严格配对的两只功率管，使用一段时间后再测试，会发现跨导明显下降且两管还会有明显差别。此外电子管输出阻抗高，用它作的音频功率放大器，需绕制工艺复杂的输出变压器。     　　场效应管具有电子管的高输入阻抗和恒流输出特性，且输出阻抗低可直接与喇叭匹配，之前已有不少文章介绍相关的音频功率放大器。但此类放大器末级场效应管大多采用源极输出，为恒压输出放大器，其音质不太理想。V-MOS场效应管为大功率场效应器件，具有非常好的大电流特性。由于P型V-MOS场效应管极难寻找，相关音频功率放大器的资料甚少。下面介绍一款由普通同极性N型V-MOS场效应管组成的音频功率放大器。   　　右图为典型的变压器耦合OCL输出音频功率放大器。如果将图中的2只晶体三极管换为V-MOS场效应管，再用2只光耦代替输入变压器，即成本文的光耦合V-MOS场效应管甲类音频功率放大器。 　　一、电路原理
　　
　　整机电路如下图所示。UIaL和UIbL分别为两只输入光耦，MosaL和MosbL分别为两只V-MOS场效应功率放大管。由于V-MOS场效应功率放大管的输入电容较大，电路中加入了由QIaL、QZaL和IQIbL、QZbL组成的射随器来驱动它。 　　U2aL、R8aL、DIaL、C2aL和U2bL、R8bl、OIbl、C2bl构成光耦和射随器的+15V供电电路，由于该电源受输出电压影响，因此滤波电容的容量用得较大。     　　输入光耦由U2lA驱动，当U2LA的输入电压上升时，U2lA的输出电压也上升，光耦UIaL的输入电压增加，导致光耦UIaL的输出电压上升，经两级射随器耦合，使MosaL的栅极电压升高，从而使Mos8l的内阻下降。另外，当U2LA输出电压上升时，光耦UIbL的输入电压减小，导致光耦UlbL的输出电压下降，经两级射随器耦合，使MosbL的栅极电压下降，从而使MosbL的内阻上升。Masal和MoshL的共同结果、使音频功率放大器输出电压上升。同理，当U2LA输入电压下降时，音频功率放大器输出电压也下降。 　　ROaL、U3al、Q4aL～Q6aL和RObL、U3bL、Q4bIL～Q6bL等元件构成放大器静态工作点稳定电路。电路工作原理如下：以MosaL为例，当MosaL的静态电流增加时，ROaL上的电压升高，使Q4aL的Ie上升，光耦U3aL的输出电压上升，Q5saL的内阻下降，Q6al的内阻增加，从而使Q6aL的发射极输出电压减小，使加在光耦UIal上的输入电压减小。根据前面分析，此时加在MoseL栅极上的电压下降．从而导致流过M0saL的静态电流下降，达到了工作点的稳定。MosbL的静态工作点稳定原理类似，不再赘述。 　　U2LB为常见的直流伺服电路，可确保放大器静态输出电压为零伏。 　　CIaL和CIbL是防止自激而加的校正电容。COL、ROL是防止超音频自激而加的频率校正网络。 　　C3aL和C3bL为开机防冲击电容，可确保开机瞬间，流过功放管的电流小于0.4A。 　　Q3aL和Q3bL构成大信号限制电路，当输出快削峰时，Q3al和Q3bL导通，使MosaL和MosbL的栅极电压下降，使音频功率放大器输出电压下降，从而避免了输出出现硬削峰状态，使功率放大器具有较强的过载能力。 　　Rlal和R1bL，是为降低光耦灵敏度，使其能较好地工作在线性区而加的电阻。     　　二、元件选择及电路装配
　　
　　MosaL和MosbL宜选30A耐压450V以上的V-MOS场效应管，如IRF360、IRF2404、2SKIOIS、2SKIO2O等。其中IRF36O、IRF2404为金封管，2SKI0I92SX1020为塑封管，塑封管装配方便。本文用的是IRF360，用IRF2404、2SKI0I9、2SK1020可直接代换。 　　通常光耦都是作为开关器件．而席文要求它工作在线性区，因此U1al和UlbL应选择灵敏度较低、线性区较好、频响宽的作为输入耦合光耦，经对比测试发现TILI13较为理想。如用4N25，则RlaL、Rlbl应改为II0kΩ；如用4N35，则RIal、RIbl应改为82kΩ。U3aL、U3bL要求较低，可用4N25、4N35等类型光耦。 　　CIL、C2l、CIR、C2R宜选用4.7μF/6V的钽电解电容。CIaL、CIbL宜选用CCI型高频瓷介电容。COL、C3al、C3bL宜选用0.22μF/63V的小型金属化涤纶电容。其余电解电容可选用普通小型铝电解电容。 　　本电路所用的运放全部采用NE5532。电路中的其余元件无特殊要求。 　　为获得高质量音质，本放大器工作在甲类状态，静态电流一般调试为200mA-250mA。因此要求散热器要足够大，散热器的表面积应不小于l770平方厘米，否则应进行风冷。 　　整个电路装配在一块130mm×180mm的单面敷铜板上，主要元件布局如下图所示。   　　用于稳定静态工作点的4只901 4三极管：Q4aL、Q4bL、Q4aR、Q4bR应用3芯排线将引脚延长后，压于各自的场效应管附近的散热器上(Q4aL对应MosaL、Q4bL对应MosbL…)．如图3所示。这样可保持V-MOS场效应管，在冷态和热态情况下静态电流不变。     　　三、电路调试（以L声道为例）　　
　　
　　1、各场效应管的源极引线从印电板上焊开，用一只51Ω/5W的电阻代替扬声器YL。用51 k0电位器代替R9bL。 　　2．接通电源，用数字万用表测量各稳压集成块78I 2、7912、7BLI 5的输出电压应符合要求。 　　3、将U2LA的③脚对地短路，并将R9aL、R9bL的阻值调至最大。测R4 aL和R4bL上的电压应为3.2V～3.8V左右。否则应更换相应的光耦TILII 3或改变相应跨接于TIlII 3的④-⑥脚之间的220kΩ电阻值。此电阻值增加，相应的电压也增加，相反减小此电阻值，相应的电压也减小。调节R9aL，RgbL的阻值，相对应的电压值应有变化。 　　4、关闭电源，焊上MosbL的源极引线。并将数字万用表置直流l0A挡，串接于MosbL的源极。接通电源，调节R9bl的阻值，使万用表的指示为0.220A。关闭电源，焊好MosbL的源极引线，焊下代替R9bL的电位器，用万用表测量其阻值，选一相近阻值的固定电阻代替它，并焊于R9bL的相应位置上。 　　5、焊上Mosal的源极引线，并将数字万用表置直流20V挡，跨接于代替扬声器YL的51 Ω/5W电阻两端。接通电源，调节R9aL的阻值，使万用表的指示为0V，关闭电源。 　　6、将L12 LA的③脚对地短路点焊开，接通电源，将数字万用表跨接于代替扬声器YL的51Ω/5W电阻两端，万用表的指示应为0V。 　　7、用同样方法调试好R声道。 　　8、上述步骤调完后，即可焊下51Ω/5W电阻，接上音箱试听了。 　　四、几点说明
　　
　　1．本音频功率放大器的灵敏度较低，增益仅为37dB，为此在其前面加了一级20dB的前置放大器，由UI A和UI B担任。 　　2．V-MOS场效应管的输入信号是加在源极和栅极之间，输出信号取自源极和漏极之间，因此本电路中的V—MOS场效应管是作为一个典型的电压一电流控制器件在使用。本功放与电子管音频功率放大器一样，为典型的恒流源放大器，宜选用高阻抗的8Ω音箱，而不适合低阻抗的4Ω音箱。 　　3．本音频功率放大器的不削峰输出功率为2×90W，频响为20Hz～20000Hz±0.8dB。 　　4．本机闭环负反馈量为24dH。阻尼系数为7.3，与电子管放大器近似，高音纯真细腻，中音亮丽、清澈透明，低音深沉柔和的音色，具有电子管功放韵味。 　　5．为了增加本机的阻尼系数，可减小R9L的阻值，然后再增加R4l的阻值，使整个电路的增益满足要求即可。 　　6．本音频功率放大器由于工作在甲类状态，散热器夏天较为烫手，但本机工作稳定，笔者用了近十年未出现任何故障。