功率放大器發(fā)展迅速 功放歷史回顧

    音頻功率放大器是一個(gè)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的領(lǐng)域，幾十年來(lái)，人們?yōu)橹�付出了不懈的努力，無(wú)論從線路技術(shù)還是元器件方面，乃至于思想認(rèn)識(shí)上都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步�；仡櫼幌鹿β史糯笃鞯陌l(fā)展歷程，對(duì)我們廣大音響愛(ài)好者來(lái)說(shuō)也許是一件饒有趣味的事情。

    一、早期的晶體管功放

    半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使晶體管放大器向前邁進(jìn)了一大步。自從有了晶體管，人們就開(kāi)始用它制造功率放大器。

    早期的放大器幾乎全用鍺管來(lái)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(biāo)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(yīng)也就很狹窄，其3dB截止頻率通常在10kHz左右，大大影響了音樂(lè)中高頻信號(hào)的重現(xiàn)。再加上功放管的耐壓、電流和功耗三個(gè)指標(biāo)相互制約，制作較大功率的OTL或OCL放大器不易尋到三個(gè)指標(biāo)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(fù)反饋?zhàn)兊煤芾щy，諧波失真得不到充分的抑制，因此這一時(shí)期的晶體管放大器音質(zhì)是很差的�！斑�是膽機(jī)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(diào)失真

    隨著半導(dǎo)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(lái)越多的功率放大器采用了無(wú)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(duì)稱性很差，人們更多采用的是圖二所示的準(zhǔn)互補(bǔ)電路，通過(guò)小功率硅管Q1與一只大功率的NPN硅管Q2復(fù)合，得到一只極性與PNP管類似的大功率管，降低了電路因?qū)ΨQ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(shí)候，互補(bǔ)對(duì)稱電路才得到廣泛的應(yīng)用。元器件的進(jìn)步使晶體管功率放大器的技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，在主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)方面，也改變了過(guò)去人們對(duì)晶體管功放的看法，無(wú)論是在廳堂擴(kuò)音、電臺(tái)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(shì)超過(guò)了電子管功放。在商品化的晶體管擴(kuò)音機(jī)中，相繼出現(xiàn)了一些摧琛奪目的名機(jī)，如JBL的SA600，Marantz互補(bǔ)對(duì)稱電路MOdel15等等。

    盡管電子管的擁護(hù)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(rèn)為晶體管機(jī)頻響寬闊，層次細(xì)膩，與電子管機(jī)比較起來(lái)有一種獨(dú)特的艙力，而不是簡(jiǎn)單的誰(shuí)取代誰(shuí)的問(wèn)題。

    瞬態(tài)互調(diào)失真的提出是認(rèn)識(shí)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(diào)失真(Transientlntermodulation)及其測(cè)量方法的提出。1963年，芬蘭Helvar工廠的一名工程師在制作一臺(tái)晶體管擴(kuò)音機(jī)時(shí)，由于接線失誤，使電路的負(fù)反饋量減少了，后來(lái)卻意外地發(fā)現(xiàn)負(fù)反饋量減少后的音質(zhì)非常好，客觀技術(shù)指標(biāo)較差，而更正錯(cuò)誤以后的線路盡管技術(shù)指標(biāo)提高了，音質(zhì)反而比誤接時(shí)明顯下降。這一現(xiàn)象引起了當(dāng)時(shí)同一工廠的Mr.Otala的重視，之后，他對(duì)此進(jìn)行了悉心研究，于1970年首先發(fā)表丁關(guān)于晶體管功率放大器瞬態(tài)互調(diào)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(guò)20篇，引起了電聲界準(zhǔn)互補(bǔ)電路人士的廣泛反響。

    瞬態(tài)互調(diào)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(yīng)，通常對(duì)整體電路施加深達(dá)40dB一60dB的負(fù)反饋，倘若在加負(fù)反饋前放大器的開(kāi)環(huán)失真為10％，那么加上40dB的負(fù)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(fù)反饋，所以對(duì)一臺(tái)增益要求為26dB的放大器，它的開(kāi)環(huán)增益就要達(dá)到66、86dB。

    如此高的增益之下引入深度負(fù)反饋，電路勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，因而需要進(jìn)行相位補(bǔ)償，一般是在推動(dòng)級(jí)晶體管的集電極——基極之間接接一個(gè)小電容C，破壞自激振蕩的相位條件，形成所謂“滯后補(bǔ)償”，

    當(dāng)放大器輸入端輸入持續(xù)時(shí)間非常短的過(guò)渡性脈沖時(shí)，由于電容C需要充電時(shí)間，所以推動(dòng)管集電極電壓要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲方能達(dá)到最大值，見(jiàn)圖四。顯然，在電容C充、放電期間，輸出電壓V。將達(dá)不到應(yīng)有的電壓值，輸入級(jí)也不可能得到應(yīng)有的反饋電壓Vf，因而，在過(guò)渡脈沖通過(guò)輸入級(jí)的瞬間，輸入級(jí)將處于負(fù)．反饋失控狀態(tài)，致使輸入級(jí)嚴(yán)重過(guò)載，輸出將嚴(yán)重削波引起過(guò)渡脈沖瞬時(shí)失真(圖五)。如果過(guò)渡脈沖波形上還疊加有正弦信號(hào)，輸出端還會(huì)得到很多輸入信號(hào)頻譜不存在的互調(diào)頻率成份，這就是TIM失真。

    TIM失真和音樂(lè)信號(hào)也有密切關(guān)系，音量大、頻率高的節(jié)目信號(hào)容易誘發(fā)TIM失真。嚴(yán)重的TIM失真反映在聽(tīng)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(jué)，導(dǎo)致音質(zhì)劣化。至今，音響界對(duì)于TIM失真都還有爭(zhēng)議，但這畢竟是人們認(rèn)識(shí)的深化，它使后來(lái)放大器的設(shè)計(jì)思想發(fā)生了根本性的變化，即更加注重放大器的動(dòng)態(tài)性能而不是僅僅滿足于靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)的提高。

    三、功放輸入級(jí)——差動(dòng)與共射-共基

    對(duì)稱和平衡是電路發(fā)展的方向?qū)ΨQ和平衡也許是世上事物完美的標(biāo)志之一。

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

    最初采用對(duì)稱設(shè)計(jì)的例子要算互補(bǔ)對(duì)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(guò)程中被抵消了，保真度有了很大提高。稍后，人們從運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)中得到啟迪，將左右對(duì)稱的差動(dòng)式電路用于功率放木器的輸入級(jí)，電路的穩(wěn)定性和線性都得到改善，這時(shí)的電路結(jié)構(gòu)如圖六所示，這一結(jié)構(gòu)直至今天都還有人采用。如果以現(xiàn)代的眼光來(lái)審評(píng)，這一電路是顯得過(guò)時(shí)了一點(diǎn)。電路的主要缺陷在于電壓推動(dòng)級(jí)，因?yàn)镼1承擔(dān)了提供電壓增益的主要任務(wù)，必然是開(kāi)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(guò)載能力也很差，這一系列的缺點(diǎn)是不利于電路的動(dòng)態(tài)性能的。圍繞著改進(jìn)電壓推動(dòng)級(jí)的性能，人們相繼提出了多種結(jié)構(gòu)，共射——共基電路就是一個(gè)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(jié)構(gòu)，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(yīng)的影響就非常微弱。寬頻響的推動(dòng)級(jí)拉開(kāi)了與輸入級(jí)極點(diǎn)的距離，相位補(bǔ)償變得很’容易，而且電容C的容量可以大大減小，這對(duì)于改善TIM失真是很有利的。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)，有人作過(guò)測(cè)試，共射一共基電路的失真度比單管共射電路要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。